Forestil dig, at du vandrer i bjergene, når en snestorm rammer. På trods af din varme frakke begynder din kropstemperatur at falde. Men frygt ikke. Temperatursensorer i pelsen føler, at du bliver koldere og aktiverer varmeelementer indlejret i stoffet. Perfekt toasty fortsætter du din vandretur.
Lyder som en smart idé, ikke? Hvorfor er det ikke en realitet? Kort sagt batterier. Batteriteknologi er ikke avanceret så hurtigt som bærbar teknologi, hvilket betyder, at wearables - smartur, fitness trackers, beklædningsindlejrede medicinske sensorer - skal enten være udstyret med klodsede batterier eller tilsluttet til opladning med hyppige intervaller.
Nu har forskere i Storbritannien en ny udvikling, der kan føre til en løsning: en fleksibel, batterilignende enhed lavet af grafen, der kan udskrives direkte på næsten alt.
”Du kan udskrive batterierne på et fleksibelt underlag som tekstiler, ” siger Mohammad Nazmul Karim, en stipendiat ved National Graphene Institute på University of Manchester. "Og det kan oplades meget hurtigt."
Enhederne, der for nylig er beskrevet i tidsskriftet 2D Materials, er teknisk set ikke batterier, men superkondensatorer, som lagrer energi på deres overflader ved statisk opladning. De kan oplades ekstremt hurtigt sammenlignet med batterier - i sekunder snarere end minutter eller timer - og mister ikke deres energilagringsfunktioner over tid, selv efter millioner og millioner af opladninger.
Superkondensatorerne, der er udviklet af Karim og hans team, er lavet af grafen, et todimensionalt gitter af kulstof, der kun er et atom tykt. Forskerne brugte en grundlæggende screenprintteknik til at udskrive en fleksibel superkapacitor af grafenoxidfarve på bomuldsstof. Stoffet kan bæres, strækkes og endda smides i vasken uden at ødelægge superkapacitorns opladningsevne.
”Hvis du har et stykke stof, og du anvender grafen på det stof, gør det ikke kun det ledende, det gør det også stærkere, ” siger Karim.
Grafen kan strækkes op til 20 procent større end dens oprindelige størrelse uden at gå i stykker. Dette er en af grundene til, at det betragtes som så lovende for bærbare, der skal bevæge sig med kroppen.
Holdets oprindelige mål er at bruge grafen-superkapacitorer til medicinske sensorer: bærbare hjerteskærme, temperatursensorer og EEG-sensorer til at overvåge søvn og andre hjerneaktiviteter. Dette kan ske i så lidt som to eller tre år, vurderer Karim. Andre anvendelser - beklædning til din mobiltelefon, bærbare computere, endda den temperaturstabiliserende jakke, jeg beskrev, ville være markant længere nede ad vejen.
Bærbar teknologi - alt fra smartur til fitness trackers til bærbare kameraer til beklædningsindlejrede medicinske sensorer - er big business. En nylig analyse fra CCS Insight antyder, at industrien vil være værd omkring 34 mia. Dollars i 2020. Men opladning har været et konstant problem for udviklere, der kan bæres. Ingen ønsker at tage deres armbånd af for at oplade midt på dagen. Så søgningen efter bedre batterier og alternative opladningsløsninger har foregået i årevis. Mange virksomheder har banket på trådløs opladning som fremtidens bølge for wearables - du kan simpelthen gå ind i dit køkken og få din enhed opladet af en trådløs oplader på væggen, mens du laver mad, uden selv at tage den af. Men teknologien er stadig meget under udvikling, og forbrugerne har været langsomme til at varme til de relativt langsomme og dyre trådløse opladere på markedet indtil videre.
Karim advarer om, at grafen heller ikke er nogen sølvkugle.
”Der er masser af hype omkring grafen, og vi er nødt til at være forsigtige, ” siger han.
En stor udfordring er at fremstille store mængder grafen af høj kvalitet. Det er billigt og nemt at fremstille grafen af lavere kvalitet, hvilket er fint til nogle applikationer. Men den bedste kvalitet af grafen er stadig dyr og besværlig at fremstille, et problem forskere arbejder på.
”Det er en enorm udfordring at opretholde den høje kvalitet af grafen i en skalerbar mængde, ” siger Karim.
En anden ulempe ved grafen er, at den ikke leder elektricitet såvel som metaller. Selvom grafenbaserede superkapsler er stærke og fleksible, såvel som relativt miljøvenlige, er sølv- eller kobber-superkapacitorer mere ledende. Afhængig af brugen kan det ene eller det andet være at foretrække.
Så se dette rum. Om et årti eller to beskriver vi måske den nye, grafen superkapacitor-drevne vinterjakke, perfekt til din næste tur til Himalaya.
