Seit Jahren stellt die Stoffdesignerin Marianne Fairbanks solarbeladene Handtaschen her. Ihr Unternehmen, Noon Solar, war auf den High-End-Modemarkt in der Stadt ausgerichtet und verkaufte in seiner Blütezeit in 30 Geschäften in den USA und in Kanada. Während Noon Solar 2010 seine Pforten schloss, war Fairbanks, der 2014 als Assistenzprofessor an der School of Human Ecology an die University of Wisconsin-Madison wechselte, immer noch von dem Konzept des Solardesigns fasziniert.
Als sie auf dem Campus ankam, entdeckte Fairbanks Trisha Andrew, eine Assistenzprofessorin für organische Chemie, die jetzt an der Universität von Massachusetts-Amherst arbeitet. Andrews Spezialität ist die Entwicklung von kostengünstigen, leichten Solarzellen. Insbesondere hatte sie eine Solarzelle auf Basis von organischem Farbstoff auf Papier hergestellt.
Die Zusammenarbeit zwischen den beiden begann mit einem unschuldigen Anruf.
„Ich habe Trish gefragt“, sagt Fairbanks, „ob wir ihre Idee, die sie auf Papier verwendet hatte, auf ein Textil anwenden könnten. Und so hat unser Projekt begonnen. “
"Die Art und Weise, wie die heutige tragbare Elektronik hergestellt wird, ist ein einfacher Verpackungsprozess", sagt Andrew. „Ein Fitbit oder eine Apple Watch - alle haben eine Leiterplatte, auf der sich die kleine elektronische Schaltung befindet. Sie können dieses Gerät "tragen", aber für mich ist das keine wirklich tragbare Elektronik. Das ist nur etwas, das auf ein anderes Material gepatcht ist. “
Aufgrund ihrer gemeinsamen Leidenschaft für solare Innovationen arbeiten sie nun daran, das Design eines Solartextils fertigzustellen. Während Fairbanks plant, letztendlich einen fertigen Stoff zu kultivieren, hofft Andrew, diesen Stoff zu nehmen und tatsächlich marktfähige Produkte herzustellen. Andrew stellt sich Stoffbahnen für beheizte Autositze oder sogar kleine Sonnenkollektoren vor, die in ein größeres Kleidungsstück eingenäht sind.
Trisha Andrew (links) und Marianne Fairbanks (rechts) haben einen Prototyp aus gewebtem Solartextil entwickelt. (Foto von Jeff Miller / UW-Madison) In der Vergangenheit wurden Sonnenkollektoren aus Glas oder Kunststoff hergestellt - Materialien, die hart sind und relativ leicht zerstört werden können. Die Forscher wandten sich 2001 erstmals Textilien zu, um eine biegsame, atmungsaktive und flexible Solarkomponente zu entwickeln. Seitdem wurden Solartextilien in Stadionabdeckungen, Carports und sogar in tragbare Kunst eingearbeitet, aber Andrew und Fairbanks behaupten, dass ihr Stoff hinsichtlich Atmungsaktivität, Festigkeit und Dichte anderen Gruppen überlegen ist. Sie haben nicht nur herausgefunden, wie sie ihr Verfahren auf jeder Art von Stoff anwenden können, sondern haben auch die Möglichkeit, den Anwendungsbereich von Solartextilien in einem kommerzielleren, verbraucherfreundlicheren Markt zu erweitern, da dies eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Designern darstellt.
„Das größte Problem ist, dass Textilien von einem Ingenieur- und Chemiekonzern unglaublich rau sind“, sagt Andrew. „Sie sind ein dreidimensionales Substrat; sie sind nicht flach. "
Ihre Solarzelle besteht aus einer Gewebeschicht mit vier Schichten verschiedener Polymere. Die erste Schicht ist Poly (3, 4-ethylendioxythiophen) oder "PEDOT", von dem Andrew und ihr wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lushuai Zhang, herausfanden, dass sie unglaublich gut zur Erhöhung der Leitfähigkeit eines Gewebes beigetragen haben. Die anderen drei Schichten sind verschiedene halbleitende Farbstoffe wie der blaue Farbstoff Kupferphthalocyanin, die als photoaktive Schichten oder Lichtabsorber für die Zelle dienen. Andrew und Fairbanks haben wiederholt Erfolge mit den ersten beiden Schichten erzielt, arbeiten aber immer noch an den Knicken für die Schichten drei und vier.
Stoffe sind im Gegensatz zu glattem und glänzendem Glas oder Kunststoff porös, was eine gleichmäßige Beschichtung mit bestimmten Polymeren etwas schwierig macht. Wenn Sie überlegen, wie ein Stück Stoff entsteht, besteht er aus mehreren miteinander verdrillten Fasern. Jede Faser weist eine unterschiedliche Rauheit auf, die vom Standpunkt der Chemie aus mehrere Lichtskalen (Nanometer, Mikrometer usw.) umfasst.
„Um das elektronisch leitende Polymer tatsächlich über diese Oberfläche zu bringen, muss man all diese verschiedenen Lichtskalen durchqueren“, sagt Andrew. "Und das ist schwer."
Um dieses Problem zu umgehen, entschied sich Andrew für Chemical Vapour Deposition (CVD), eine Technik, die normalerweise anorganischen Experimenten vorbehalten ist, bei denen harte Substrate wie Metalle oder Kunststoffe verwendet werden. Durch Ausnutzung der Stofftransporteigenschaften oder der allgemeinen physikalischen Gesetze, die die Bewegung der Masse von einem Punkt zum anderen regeln, kann Andrew jede beliebige Substanz, einschließlich Gewebe, gleichmäßig beschichten, da sich die verwendeten Nanomaterialien nicht um die Oberfläche des Substrats kümmern . Noch besser, sie wendet den PEDOT im luftleeren Raum an.
Der nächste Schritt war zu bestimmen, welche Stoffe am besten funktionieren würden.
„Ich habe Seide, Wolle und Nylon mitgebracht - all diese unterschiedlichen Substrate“, sagt Fairbanks und merkt an, dass es sich bei den Materialien um Standardmuster von Jo-Ann Fabrics handelte. Um die Gewebe zu testen, beschichteten sie jedes mit PEDOT und anderen Halbleitermaterialien und hakten sie dann an Elektrodenklammern und Drähten an. Sie legten eine Spannung an und maßen den Ausgangsstrom für jedes Muster.
„Einige von ihnen wärmten sich auf, nahmen die Energie auf und wandelten sie in Wärme um. Einige von ihnen gaben die Wärme ab, ließen sich jedoch viel leichter leiten “, sagt Fairbanks.
„Die Leitfähigkeit des PEDOT wurde vollständig von den zugrunde liegenden Textilien bestimmt“, fügt Andrew hinzu. „Wenn wir ein poröses Textil hätten, hätten wir eine höhere Leitfähigkeit als Kupfer. Hatten wir ein sehr flockiges Textil wie flockiges Baumwolljersey oder Wollfilz oder sehr dicht gewebte Textilien, war die Leitfähigkeit des PEDOT wirklich schlecht. “
Basierend auf ihren ersten Experimenten schlug Andrew einen Handschuh-Prototyp vor, um die verschiedenen Eigenschaften jedes Stoffes zu nutzen. Bei ihrem Design wurden im Wesentlichen bestimmte Textilien verwendet, um Elektrizität zum Erwärmen verschiedener Teile des Handschuhs zu leiten. Der Prototyp besteht aus Ananasfasern, die sehr leitfähig sind und die Wärme absorbieren, und Baumwolle, die als Bremse fungiert, um die Wärme zwischen den Schichten zu halten. Dies ist der erste Artikel, den das Duo kreiert hat, von dem sie hoffen, dass er tatsächlich vermarktet wird.
„Das Faszinierende an dieser Zusammenarbeit ist, dass wir uns nicht zusammengetan haben, um diesen Handschuh zu entwickeln“, sagt Fairbanks. Es war nur einer dieser anderen Nebenergebnisse der ursprünglichen Forschung. “
Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses haben Andrew und Fairbanks über ihre anfängliche solare Textilidee, an der noch gearbeitet wird, hinaus zu einer weiteren solaren Innovation experimentiert, bei der jede einzelne Faser mit PEDOT beschichtet und die Teile zu einem Arbeitskreis zusammengewebt werden . Dieser völlig originelle Stoff funktioniert wie ein triboelektrisches Gerät und setzt mechanische Bewegung in Kraft um. Das Duo hat 10-mal-10-Zoll-Farbfelder mit verschiedenen Webmustern konstruiert, wobei die effizientesten etwa 400 Milliwatt Leistung erzeugen, indem sie es einfach wie eine kleine Fahne herumwedeln.
"Wenn Sie tatsächlich einen Standardvorhang für ein Haus gemacht haben, etwas 4 mal 4 Fuß, dann ist das mehr als genug Energie, um Ihr Smartphone aufzuladen", sagt Andrew und bemerkt, dass das Material nur eine Brise braucht, die durch das Fenster kommt um dieses Energieniveau zu erzeugen.
Andrew und Fairbanks arbeiten mit mehreren Unternehmen aus verschiedenen Branchen zusammen, die daran interessiert sind, diese Ideen in zukünftige Produkte zu integrieren. Andrew hat zum Beispiel ein Air Force-Stipendium zur Herstellung von Solarzelten für Soldaten und hat Outdoor-Ausrüstung in der Entwicklung mit Patagonia.
„Ich bin sehr aufgeregt, weil Textilien tragbar und leicht sind“, sagt Fairbanks. "Sie könnten in der Wildnis für einen Jäger oder auf dem Feld für medizinische oder militärische Anwendungen so eingesetzt werden, wie es große, klobige Solarmodule niemals könnten."
Fairbanks sieht grenzenloses Potenzial. Das Solartextil könnte für Hunderte künftiger Anwendungen verwendet werden, darunter Regenschirme, Markisen und Flüchtlingsunterkünfte, während das triboelektrische Gewebe für Haushaltswaren oder Sportartikel wie Laufhemden und Tennisschuhe verwendet werden könnte - alles, was seitdem Bewegung erfordert So erzeugt es Strom.
"Ich freue mich, dass es zu 100 Prozent funktioniert und in die Welt hinausgeht", sagt Fairbanks.
