Godinama je dizajnerica tkanina Marianne Fairbanks izrađivala torbe na solarni pogon. Njena tvrtka Noon Solar bila je usmjerena na visoko tržište, gradsko modno tržište, a na vrhuncu se prodavala u 30 trgovina u Sjedinjenim Državama i Kanadi. Dok je Noon Solar zatvorio svoja vrata 2010. godine, Fairbanks, koji se 2014. godine pridružio Sveučilištu Wisconsin-Madison kao docent u školi ljudske ekologije, još uvijek je bio zaintrigiran konceptom solarnog dizajna.
Jednom kada je stigla u kampus, Fairbanks je otkrio Trisha Andrew-a, docenta za organsku kemiju sada na Sveučilištu Massachusetts-Amherst. Andrewova posebnost je u razvoju jeftinih, laganih solarnih ćelija. Konkretno, ona je izradila solarnu ćeliju na bazi organskog obojenja na papiru.
Suradnja između njih dvoje započela je nevinim telefonskim pozivom.
"Pitao sam Trish", kaže Fairbanks, "možemo li primijeniti njezinu ideju koju je koristila na papiru na tekstilu. I tako je započeo naš projekt. "
"Način na koji se stvara današnja nosiva elektronika jednostavan je postupak pakiranja", kaže Andrew. "Fitbit ili Appleov sat - svi imaju PCB [tiskanu ploču] koja drži mali elektronički krug. Omogućuje vam 'nošenje' tog uređaja, ali meni to nije prava nosiva elektronika. To je samo nešto što je zalijepljeno na drugi materijal. "
Njihova zajednička strast prema solarnim inovacijama sada ih tjera na dovršenje dizajna solarnog tekstila. Iako su planovi Fairbanksa da na kraju uzgajaju gotovu tkaninu, Andrew se nada da će uzeti tu tkaninu i zapravo proizvoditi proizvode koji se mogu prodati. Andrew predviđa tkanine za grijana auto sjedala ili čak male solarne ploče ušivene u veću odjeću.
Trisha Andrew, lijevo i Marianne Fairbanks, desno, razvili su tkani prototip solarnog tekstila. (Foto: Jeff Miller / UW-Madison) Povijesno gledano, solarni paneli izrađeni su od stakla ili plastike - materijala koji su tvrdi i mogu se uništiti prilično lako. Istraživači su se prvi put okrenuli tekstilu 2001. godine, nastojeći stvoriti solarnu komponentu koja je probirljiva, prozračna i fleksibilna. Otada su solarne tkanine ugrađene u pokrivače stadiona, kolica i čak nosivu umjetnost, ali Andrew i Fairbanks tvrde da je njihova tkanina superiorna u prozračnosti, čvrstoći i gustoći drugih grupa. Ne samo da su smislili kako da svoj proces koriste na bilo kojoj vrsti tkanine, već zato što je ovo suradnja znanstvenika i dizajnera, oni također imaju mogućnost proširiti opseg solarnog tekstila na komercijalnijem i potrošački prihvatljivijem tržištu.
"Najveći je problem što su tekstilni proizvodi, od inženjerske i kemijske brige, nevjerojatno grubi", kaže Andrew. "Oni su trodimenzionalni supstrat; nisu ravni. "
Njihova se solarna ćelija sastoji od jednog sloja tkanine koji ima četiri sloja različitih polimera. Prvi premaz je poli (3, 4-etilendioksitiofen), ili "PEDOT", za koju su Andrew i njezin asistent za doktore, Lushuai Zhang, otkrili da djeluju nevjerojatno dobro kako bi povećali vodljivost tkanine. Ostala tri sloja su različite poluvodičke boje, poput plavog bakra ftalocijanina, koji djeluju kao fotoaktivni slojevi ili apsorpteri svjetla za stanicu. Andrew i Fairbanks postigli su ponovljeni uspjeh s prva dva kaputa, ali još uvijek razrađuju kinke za kapute tri i četiri.
Tkanine, za razliku od glatkog i sjajnog stakla ili plastike, su porozne, što ih čini ravnomjernim premazivanjem specifičnim polimerima pomalo zapetljanim. Ako razmislite o tome kako nastaje komad tkanine, sastavljen je od više vlakana ispletenih zajedno. Svako vlakno imat će različitu razinu hrapavosti, koja, s gledišta kemije, uključuje više svjetlosnih ljestvica (nanometar, mikrometar, itd.).
"Da biste elektronički provodljivi polimer stvarno postavili preko te površine, morate preći sve te različite svjetlosne ljestvice", kaže Andrew. "A to je teško."
Da bi zaobišao ovaj problem, Andrew je odlučio isprobati kemijsko taloženje isparavanja (CVD), tehniku obično rezerviranu za neorganske eksperimente koji koriste tvrde podloge poput metala ili plastike. Koristeći svojstva masovnog prijevoza ili opće fizičke zakone koji upravljaju kretanjem mase s jedne točke na drugu, Andrew može ravnomjerno premazati bilo koju proizvoljnu tvar, uključujući i tkaninu, jer se nanomaterijali ne brinu o površini podloge., Još bolje, ona primjenjuje PEDOT unutar vakuuma.
Sljedeći je korak bio utvrđivanje koja će tkanina najbolje raditi.
"Doneo sam svilu, vunu, najlon - sve ove različite podloge", kaže Fairbanks, napominjući da su materijali standardni uzorci tvrtke Jo-Ann Fabrics. Da bi testirali tkanine, premazali su svaki s PEDOT-om i drugim poluvodičkim materijalima, a zatim ih spojili na elektrode i spojke. Primjenjivali su napon i mjerili izlaznu struju za svaku seriju.
„Neki od njih bi zagrijavali i uzeli energiju i prenijeli je u toplinu; neki od njih trošili su toplinu, ali još lakše ", kaže Fairbanks.
"Provodljivost PEDOT-a u potpunosti je određena temeljnim tekstilom", dodaje Andrew. "Da smo imali porozan tekstil, dobili bismo vodljivost veću od bakra. Ako smo imali vrlo nejasan tekstil, poput pamučnog dresa od pamuka ili vune ili vrlo čvrsto tkanog tekstila, tada je provodljivost PEDOT-a bila zaista loša. "
Na temelju svojih početnih eksperimenata, Andrew je predložio prototip rukavica kako bi iskoristio različita svojstva svake tkanine. U osnovi, njihov dizajn koristio je specifični tekstil za provođenje struje za zagrijavanje različitih dijelova rukavica. Prototip je izrađen od ananasovih vlakana, koja su vrlo provodljiva i upijaju toplinu, i pamuka, koji djeluje kao kočnica za zadržavanje topline sadržane u slojevima. To je prva stavka koju je dvojac stvorio, za koju se nadaju da će je doista plasirati na tržište.
"Ono što je zaista fascinantno u ovoj suradnji", kaže Fairbanks, "je da se nismo posebno skupili da bismo stvorili ovu rukavicu. To je bio samo jedan od ovih ostalih učinaka izvornog istraživanja. "
Kroz proces istraživanja i razvoja, Andrew i Fairbanks eksperimentirali su izvan svoje početne ideje o solarnom tekstilu, koja je još uvijek u tijeku, do druge solarne inovacije koja uključuje oblaganje svakog pojedinog vlakana PEDOT-om i tkanje komada zajedno kako bi tvorili radni krug, Ova potpuno originalna tkanina djeluje poput triboelektričnog uređaja, prevodi mehaničko gibanje u snagu. Dvojac je konstruirao parčiće veličine 10 do 10 inča različitih obrazaca tkanja, s tim što je najučinkovitije stvorilo oko 400 milivata snage, jednostavnim mahanjem okolo kao mala zastava.
"Ako ste zapravo napravili standardnu zavjesu za kuću, nešto 4 do 4 noge, onda je to više nego dovoljna snaga za punjenje vašeg pametnog telefona", kaže Andrew, napominjući da će materijalu biti potreban samo povjetarac kroz prozor generirati tu razinu snage.
Andrew i Fairbanks surađuju s nekoliko tvrtki iz različitih industrija koje su zainteresirane za uključivanje ovih ideja u buduće proizvode. Andrew, na primjer, ima poticaj ratnog zrakoplovstva namijenjen proizvodnji solarnih šatora za vojnike i ima opremu na otvorenom u razvoju s Patagonijom.
"Jako se uzbuđujem, jer je tekstil prenosiv i lagan", kaže Fairbanks. "Mogli bi biti raspoređeni u pustinji za lovca ili u polju za medicinsku ili vojnu primjenu na način na koji veliki klimavi solarni paneli nikada ne bi mogli biti."
Fairbanks vidi bezgranični potencijal. Solarni tekstil, kaže, mogao bi se koristiti za stotine budućih primjena, uključujući kišobrane, tende i skloništa za izbjeglice, dok bi se triboelektrična tkanina mogla koristiti u kućanskim potrepštinama ili u sportskim rekvizitima, kao što su majice za trčanje i tenisice - sve što zahtijeva kretanje od tada tako se stvara snaga.
"Uzbuđena sam što ću 100-postotno funkcionirati i otići u svijet", kaže Fairbanks.
