במשך שנים, מעצבת הבדים מריאן פיירבנקס יצרה תיקים עם טעינה סולארית. החברה שלה, Noon Solar, הייתה מכוונת לשוק האופנה המתקדם והעירוני ובשיאה מכרה ב -30 חנויות בארצות הברית ובקנדה. בזמן שצהרון סולארי סגר את שעריו בשנת 2010, פיירבנקס, שהצטרף לאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון בשנת 2014 כעוזר פרופסור בבית הספר לאקולוגיה אנושית, עדיין סיקרן את הרעיון של עיצוב סולארי.
ברגע שהגיעה לקמפוס, גילה פיירבנקס את טרישה אנדרו, פרופסור לכימיה אורגנית כיום באוניברסיטת מסצ'וסטס-אמהרסט. המומחיות של אנדרו היא בפיתוח תאים סולאריים בעלות נמוכה וקלת משקל. באופן ספציפי, היא יצרה תא שמש אורגני מבוסס צבע על נייר.
שיתוף הפעולה בין השניים החל בשיחת טלפון תמימה.
"שאלתי את טריש", אומר פיירבנקס, "אם נוכל ליישם את הרעיון שלה שהיא השתמשה על נייר על טקסטיל. וככה התחיל הפרויקט שלנו. "
"האופן בו נוצרים מוצרי אלקטרוניקה לבישים של ימינו הוא תהליך פשוט של אריזה, " אומר אנדרו. "שעון Fitbit או שעון של אפל - לכולם יש PCB [לוח מעגלים מודפס], המחזיק את המעגל האלקטרוני הקטן. זה מאפשר לך 'ללבוש' את המכשיר הזה, אבל בעיניי זה לא אלקטרוניקה לבישה אמיתית. זה רק משהו שמודבק על חומר אחר. "
התשוקה המשותפת שלהם לחדשנות סולארית גורמת להם כעת לסיים את העיצוב של טקסטיל סולארי. בעוד שהתכניות של פיירבנקס הן לטפח בסופו של דבר בד מוגמר, אנדרו מקווה לקחת את הבד הזה ולייצר למעשה מוצרים סחירים. אנדרו רואה לעצמו לוחות בד למושבים מחוממים של מכוניות או אפילו פאנלים סולאריים קטנים שתופרים לבגד גדול יותר.
טרישה אנדרו, שמאל ומריאן פיירבנקס, מימין, פיתחו אב-טיפוס לטקסטיל סולארי ארוג. (צילום: ג'ף מילר / UW-Madison) מבחינה היסטורית, לוחות סולאריים עשויים זכוכית או פלסטיק - חומרים קשים וניתנים להשמדה די בקלות. החוקרים פנו לראשונה לטקסטיל בשנת 2001 במאמץ ליצור רכיב סולארי כישוף, נושם וגמיש. מאז שולבו בדים סולאריים בחיפויי אצטדיון, חניונים ואפילו אמנות לבישה, אך אנדרו ופיירבנקס טוענים כי הבד שלהם עדיף על קבוצות אחרות ביכולות הנשימה, חוזק וצפיפות. לא רק שהם הבינו כיצד להשתמש בתהליך שלהם על כל סוג של בד, אלא מכיוון שמדובר בשיתוף פעולה בין מדען ומעצב, יש להם גם את היכולת להרחיב את היקף הטקסטיל הסולארי בשוק מסחרי וידידותי לצרכן יותר.
"הבעיה הגדולה ביותר היא שטקסטיל, העוסק בהנדסה וכימיה, הוא שהם גסים להפליא", אומר אנדרו. "הם מצע תלת ממדי; הם לא שטוחים. "
התא הסולארי שלהם מורכב משכבה אחת של בד שיש בו ארבעה שכבות של פולימרים שונים. המעיל הראשון הוא פולי (3, 4-ethylenedioxythiophene), או "PEDOT", שגילו אנדרו ועוזרת המחקר שלה לאחר הלימוד, לושאי ג'אנג, עבדו טוב להפליא כדי להגדיל את המוליכות של הבד. שלושת המעילים האחרים הם צבעי מוליכים למחצה שונים, כגון נחושת צבע כחול פתאלוציאנין, המשמשים כשכבות פוטו-אקטיביות או בולמי אור לתא. אנדרו ופיירבנקס השיגו הצלחה חוזרת ונשנית עם שני המעילים הראשונים, אך עדיין עובדים על הכישורים למעילים שלוש וארבעה.
בדים, בניגוד לזכוכית או פלסטיק חלקים ומבריקים, הם נקבוביים, מה שהופך את הציפוי באופן שווה לפולימרים ספציפיים למעט מסובך. אם אתה מחשיב כיצד נוצרת פיסת בד, זה מורכב מסיבים מרובים מעוותים זה לזה. לכל סיב תהיה רמת חספוס שונה, אשר מבחינה כימית כוללת סולמות אור מרובים (ננומטר, מיקרומטר וכו ').
"כדי להניח בפולימר את המוליך האלקטרוני מעל פני השטח, אתה צריך לחצות את כל סולמות האור השונים האלה, " אומר אנדרו. "וזה קשה."
כדי לעקוף את הנושא הזה, אנדרו החליט לנסות את Deposition Chemical Vapor Deposition (CVD), טכניקה שמורה בדרך כלל לניסויים אורגניים המשתמשים במצעים קשים כמו מתכות או פלסטיק. על ידי ניצול של תכונות ההובלה ההמונית, או החוקים הפיזיים הכלליים המסדירים את תנועת המסה מנקודה אחת לאחרת, אנדרו יכול לצבוע באופן אחיד כל חומר שרירותי, כולל בד, מכיוון שלננו-חומרים המשמשים לא אכפת משטח המצע. . אפילו טוב יותר, היא מיישמת את ה- PEDOT בתוך ואקום.
השלב הבא היה קביעת אילו בדים יעבדו הכי טוב.
"הבאתי משי, צמר, ניילון - כל המצעים השונים האלה", אומר פיירבנקס, ומציין כי החומרים היו דוגמאות סטנדרטיות מבדי ג'ו-אן. כדי לבדוק את הבדים הם ציפו כל אחד מהם PEDOT וחומרים מוליכים למחצה אחרים, ואז חיברו אותם לקליפי אלקטרודות וחוטי חשמל. הם הפעילו מתח ומדדו את זרם היציאה עבור כל דוגמית דוגמית.
"חלקם היו מתחממים ולוקחים את האנרגיה ומתורגמים אותה לחום; חלקם פיזרו את החום ועם זאת התנהלו הרבה יותר בקלות, "אומר פיירבנקס.
"המוליכות של ה- PEDOT נקבעה לחלוטין על ידי הטקסטיל שבבסיס", מוסיף אנדרו. "אם היה לנו טקסטיל נקבובי, קיבלנו מוליכות גבוהה יותר מהנחושת. אם היה לנו טקסטיל מעורפל מאוד, כמו גופיות כותנה מטושטשות או לבד צמר, או טקסטיל ארוג מאוד, אז המוליכות של ה- PEDOT הייתה ממש גרועה. "
על סמך הניסויים הראשונים שלהם, אנדרו הציע אב-טיפוס כפפה כדי לנצל את התכונות השונות של כל בד. בעיקרו של דבר, העיצוב שלהם השתמש בטקסטיל ספציפי להובלת חשמל לחימום חלקים שונים של הכפפה. האב-טיפוס עשוי מסיבי אננס, שהוא מוליך מאוד וסופג את החום, ומכותנה הפועלת כבלם לשמירת החום הכלול בין השכבות. זה הפריט הראשון שהצמד יצר שהם מקווים לשווק בפועל.
"מה שמרתק באמת בשיתוף הפעולה הזה, " אומר פיירבנקס, "זה שלא התכנסנו כדי ליצור את הכפפה הזו, במיוחד. זו הייתה רק אחת מהתפוקות הצדדיות האחרות של המחקר המקורי. "
בתהליך המחקר והפיתוח, אנדרו ופיירבנקס עשו ניסויים מעבר לרעיון הטקסטיל הסולארי הראשוני שלהם, שהוא עדיין עבודה בעיצומה, לחידוש סולארי אחר שכולל ציפוי של כל סיב בודד עם PEDOT ושזירת החלקים יחד ליצירת מעגל העבודה. . בד מקורי לחלוטין זה עובד כמו מכשיר טריבו-אלקטרי, ומתרגם תנועה מכנית לעוצמה. הצמד בנה דוגמיות בגודל 10 על 10 אינץ 'של דפוסי אריגה שונים, כאשר היעיל ביותר יוצר כ -400 מיליוואט כוח, פשוט על ידי מנופף אותו כמו דגל קטן.
"אם בעצם הכנת וילון סטנדרטי לבית, משהו על מטר וחצי, אז זה די והותר בכדי לטעון את הטלפון החכם שלך, " אומר אנדרו ומציין כי החומר רק יצטרך בריזה שתגיע דרך החלון. לייצר את רמת הכוח הזו.
אנדרו ופיירבנקס עובדים עם כמה חברות במגוון תעשיות שמעוניינות לשלב רעיונות אלה במוצרים עתידיים. לאנדרו, למשל, יש מענק של חיל האוויר שמטרתו לייצר אוהלים סולאריים לשימוש חיילים ויש לו ציוד חיצוני בפיתוח עם פטגוניה.
"אני מתרגש ממש כי טקסטיל הוא נייד וקל משקל", אומר פיירבנקס. "הם יכולים להיות פרוסים במדבר עבור צייד או בשדה ליישומים רפואיים או צבאיים באופן שפאנלים סולאריים גדולים ומגושמים מעולם לא יוכלו להיות."
פיירבנקס רואה פוטנציאל ללא גבול. הטקסטיל הסולארי, לדבריה, יכול לשמש למאות יישומים עתידיים, כולל מטריות, סוככים ומקלטים, ואילו הבד הטריאו-אלקטרי יכול לשמש בכלי בית או בציוד ספורט, כמו חולצות ריצה ונעלי טניס - כל דבר שדורש תנועה מאז ככה זה מייצר כוח.
"אני נרגש לגרום לזה למאה אחוז לתפקד ולצאת לעולם", אומר פיירבנקס.
