Per anni, la designer di tessuti Marianne Fairbanks ha realizzato borse a carica solare. La sua azienda, Noon Solar, era orientata verso il mercato della moda di fascia alta con base urbana e, al suo apice, vendeva in 30 negozi negli Stati Uniti e in Canada. Mentre Noon Solar ha chiuso i battenti nel 2010, Fairbanks, che ha aderito all'Università del Wisconsin-Madison nel 2014 come assistente alla scuola di ecologia umana, era ancora incuriosito dal concetto di progettazione solare.
Una volta arrivata nel campus, Fairbanks ha scoperto Trisha Andrew, un assistente professore di chimica organica ora all'Università del Massachusetts-Amherst. La specialità di Andrew è lo sviluppo di celle solari leggere ed economiche. In particolare, aveva creato una cella solare organica a base di colorante su carta.
La collaborazione tra i due è iniziata con una telefonata innocente.
"Ho chiesto a Trish", dice Fairbanks, "se potessimo applicare la sua idea di aver usato la carta su un tessuto. Ed è così che è iniziato il nostro progetto. "
"Il modo in cui vengono creati i dispositivi elettronici indossabili di oggi è un semplice processo di confezionamento", afferma Andrew. “Un Fitbit o un orologio Apple — hanno tutti un PCB [circuito stampato], che contiene il piccolo circuito elettronico. Ti permette di "indossare" quel dispositivo, ma per me non è una vera elettronica indossabile. È solo qualcosa che viene applicato su un altro materiale. "
La loro comune passione per l'innovazione solare ora li sta lavorando per finalizzare la progettazione di un tessuto solare. Mentre i piani di Fairbanks sono in definitiva di coltivare un tessuto finito, Andrew spera di prendere quel tessuto e di fabbricare effettivamente prodotti commercializzabili. Andrew immagina pannelli di tessuto per sedili di auto riscaldati o persino piccoli pannelli solari cuciti in un capo più grande.
Trisha Andrew, a sinistra, e Marianne Fairbanks, a destra, hanno sviluppato un prototipo di tessuto solare tessile. (Foto di Jeff Miller / UW-Madison) Storicamente, i pannelli solari sono stati realizzati in vetro o plastica, materiali che sono duri e possono essere distrutti abbastanza facilmente. I ricercatori si sono rivolti per la prima volta al tessile nel 2001, nel tentativo di creare un componente solare flessibile, traspirante e flessibile. Da allora, i tessuti solari sono stati incorporati nelle coperture degli stadi, nei posti auto coperti e persino nell'arte da indossare, ma Andrew e Fairbanks affermano che il loro tessuto è superiore a quello di altri gruppi in traspirabilità, resistenza e densità. Non solo hanno capito come utilizzare il loro processo su qualsiasi tipo di tessuto, ma poiché si tratta di una collaborazione tra scienziato e designer, hanno anche la capacità di ampliare la portata dei tessuti solari all'interno di un mercato più commerciale e favorevole ai consumatori.
"Il problema più grande è che i tessuti, dal punto di vista dell'ingegneria e della chimica, sono che sono incredibilmente ruvidi", afferma Andrew. “Sono un substrato tridimensionale; non sono piatti. "
La loro cella solare è costituita da uno strato di tessuto che ha quattro strati di polimeri diversi. La prima mano è Poly (3, 4-etilendioxythiophene), o "PEDOT", che Andrew e il suo assistente di ricerca post-dottorato, Lushuai Zhang, hanno scoperto che hanno lavorato incredibilmente bene per aumentare la conduttività di un tessuto. Gli altri tre strati sono vari coloranti semiconduttori, come la ftalocianina di rame colorante blu, che fungono da strati fotoattivi o assorbitori di luce per la cellula. Andrew e Fairbanks hanno ottenuto ripetuti successi con i primi due cappotti ma stanno ancora elaborando i nodi per i cappotti tre e quattro.
I tessuti, al contrario del vetro o della plastica liscia e lucida, sono porosi, il che rende un po 'difficile rivestirli uniformemente con polimeri specifici. Se consideri come viene creato un pezzo di tessuto, è composto da più fibre intrecciate insieme. Ogni fibra avrà un diverso livello di rugosità, che, dal punto di vista chimico, include più scale di luce (nanometro, micrometro, ecc.).
"Al fine di posizionare effettivamente il polimero elettronicamente conduttivo su quella superficie, è necessario attraversare tutte queste diverse scale di luce", afferma Andrew. "Ed è difficile."
Per ovviare a questo problema, Andrew ha deciso di provare la deposizione chimica in fase vapore (CVD), una tecnica tipicamente riservata agli esperimenti inorganici che utilizzano substrati duri come metalli o plastica. Sfruttando le proprietà del trasporto di massa o le leggi fisiche generali che regolano il movimento della massa da un punto all'altro, Andrew può rivestire uniformemente qualsiasi sostanza arbitraria, incluso il tessuto, perché i nanomateriali utilizzati non si preoccupano della superficie del substrato . Ancora meglio, applica il PEDOT nel vuoto.
Il passo successivo è stato determinare quali tessuti avrebbero funzionato meglio.
"Ho portato su seta, lana, nylon - tutti questi diversi substrati", afferma Fairbanks, osservando che i materiali erano campioni standard di Jo-Ann Fabrics. Per testare i tessuti, hanno rivestito ciascuno con PEDOT e altri materiali semiconduttori, quindi li hanno agganciati a clip e fili dell'elettrodo. Hanno applicato la tensione e misurato la corrente di uscita per ciascun campione.
“Alcuni di loro si riscalderebbero e prenderebbero l'energia e la tradurrebbero in calore; alcuni hanno erogato il calore, ma condotto molto più facilmente ", afferma Fairbanks.
"La conduttività del PEDOT è stata completamente determinata dai tessuti sottostanti", aggiunge Andrew. “Se avessimo un tessuto poroso, la conducibilità sarebbe più alta del rame. Se avessimo un tessuto molto sfocato, come jersey di cotone sfocato o feltro di lana, o tessuti molto stretti, la conducibilità del PEDOT era davvero pessima ”.
Sulla base dei loro esperimenti iniziali, Andrew ha proposto un prototipo di guanto per sfruttare le varie proprietà di ciascun tessuto. In sostanza, il loro design ha utilizzato tessuti specifici per condurre l'elettricità per riscaldare diverse parti del guanto. Il prototipo è realizzato in fibra di ananas, che è molto conduttiva e assorbe il calore, e cotone, che funge da freno per mantenere il calore contenuto tra gli strati. Questo è il primo oggetto che il duo ha creato che sperano davvero di commercializzare.
"La cosa davvero affascinante di questa collaborazione", afferma Fairbanks, "è che non ci siamo uniti per creare questo guanto, in particolare. Era solo uno di questi altri risultati collaterali della ricerca originale. "
Attraverso il processo di ricerca e sviluppo, Andrew e Fairbanks hanno sperimentato al di là della loro idea iniziale di tessuto solare, che è ancora un lavoro in corso, verso un'altra innovazione solare che prevede il rivestimento di ogni singola fibra con PEDOT e la tessitura dei pezzi per formare il circuito di lavoro . Questo tessuto completamente originale funziona come un dispositivo triboelettrico, traducendo il movimento meccanico in energia. Il duo ha costruito campioni da 10 per 10 pollici di diversi modelli di trama, con il più efficiente che genera circa 400 milliwatt di potenza, semplicemente agitandolo come una piccola bandiera.
"Se in realtà hai realizzato una tenda standard per una casa, qualcosa di 4 per 4 piedi, allora questo è più che sufficiente potenza per caricare il tuo smartphone", afferma Andrew, osservando che il materiale avrebbe bisogno solo di una brezza che entra dalla finestra per generare quel livello di potere.
Andrew e Fairbanks stanno lavorando con diverse aziende all'interno di una varietà di settori interessati a integrare queste idee in prodotti futuri. Andrew, ad esempio, ha una sovvenzione dell'aeronautica finalizzata alla produzione di tende solari per uso militare e ha attrezzature da esterno in sviluppo con la Patagonia.
"Sono davvero entusiasta, perché i tessuti sono portatili e leggeri", afferma Fairbanks. "Potrebbero essere schierati nel deserto per un cacciatore o sul campo per applicazioni mediche o militari in un modo che mai grandi pannelli solari goffi potrebbero mai essere."
Fairbanks vede un potenziale illimitato. Il tessuto solare, dice, potrebbe essere utilizzato per centinaia di applicazioni future, tra cui ombrelloni, tende da sole e rifugi per rifugiati, mentre il tessuto triboelettrico potrebbe essere utilizzato in articoli per la casa o attrezzature sportive, come magliette da corsa e scarpe da tennis, tutto ciò che richiede movimento da allora è così che genera energia.
"Sono entusiasta di farlo funzionare al 100% e nel mondo", afferma Fairbanks.
