Vand-drevne triboelektriske nanogeneratorer forklaret

Drevet af behovet for større energisikkerhed, omkostningsbesparelser og miljømæssige bekymringer, er efterspørgslen efter bæredygtige energiløsninger vokset betydeligt.

Dette har fået forskere til at udvikle energihøstningsteknologier, der omdanner omgivende mekanisk energi til elektrisk strøm. Disse teknologier har potentiale til at spille en afgørende rolle i anvendelser som energiproduktion, transport og elektronik.

Blandt disse teknologier er triboelektriske nanogeneratorer (TENGs) dukket op som et lovende middel til at udnytte mekanisk energi fra vores omgivelser, såsom bevægelse og vibrationer.

Som følge heraf undersøger mange forskere nye materialer, designs og mekanismer for at forbedre energiproduktion, holdbarhed og skalerbarhed til brug i den virkelige verden.

Tidligere i år demonstrerede forskere fra University of Alabama brugen af disse enheder til at generere elektricitet. Nøglen her var brugen af billig, færdigkøbt, robust tape sammen med plast og aluminium i stedet for dyre, specielt fremstillede materialer, der normalt anvendes til TENGs.

Denne forbedret version af TENG¹ udnytter interaktionen mellem den trykfølsomme akrylklæbelag på tapen og dens polypropylenbaggrund til at generere op til 53 milliwatt strøm. TENG’en blev placeret på en vibrerende plade, som gentagne gange bringer de to lag i kontakt, før de adskilles, hvilket genererer elektricitet.

Udover at skabe nok strøm til at lyse over 350 LED-lys og en laserpointer, blev enheden også integreret i en akustisk sensor og et selvforsynet wearabel.

Denne genererede elektricitet ved hjælp af små plastperler² placeret tæt sammen på en overflade, som derefter blev bragt i kontakt med en anden overflade indeholdende de samme perler, hvilket producerede mere elektricitet end normalt.

Størrelsen og materialet af perlerne viste sig at være vigtige, hvor hovedforfatter, Dr. Ignaas Jimidar fra VUB, bemærkede: “Små ændringer i materialevalg kan føre til betydelige forbedringer i energigenererings‑effektiviteten,” hvilket skaber nye muligheder for TENGs i hverdagen, uden at være afhængig af traditionelle energikilder.

Disse fund og fremskridt viser, at forskerne baner vejen for transformerende anvendelser af TENG‑teknologi.

Ifølge Zhong Lin Wang, som var den første til at demonstrere en fungerende TENG, kan triboelektriske nanogeneratorer være afgørende i bestræbelserne på energidemokratisering.

“Ved at udnytte hverdagsfysiske handlinger gør de det muligt for elektronik at være selvforsynet, hvilket fjerner behovet for at stole på centraliserede elnet. Denne ‘ambient energiopsamling’ er i tæt overensstemmelse med en række globale tendenser, såsom bæredygtighed, personlig sundhedspleje og Internet of Things,” sagde Wang i et interview.³ “TENGs er allerede levedygtige for lavstrøm, distribueret sensoring, men deres sande forstyrrelse ligger i fremtidig stor‑skala energihøstning og menneske‑maskine‑synergi.”

Hvordan triboelektriske nanogeneratorer (TENGs) omdanner bevægelse til elektricitet

Efterhånden som forskningen i triboelektriske nanogeneratorer fortsætter med at accelerere, har de seneste fremskridt udvidet, hvad disse enheder kan høste, fra subtile vibrationer og kropsbevægelse til miljøkræfter som vind, dråber og væskestrøm.

Nu, hvordan fungerer disse triboelektriske nanogeneratorer (TENGs)? De omdanner mekanisk energi til elektrisk energi gennem kontakt‑elektrificering og elektrostatiske induktion.

Kontakt‑elektrificering involverer overførsel af ladning, der sker når to overflader kommer i kontakt, hvor den ene bliver positivt ladet og den anden negativt ladet. Elektrostatiske induktion eller elektrostatiske påvirkning er derimod en omfordeling af elektrisk ladning uden direkte kontakt.

Det fantastiske ved TENGs er deres høje øjeblikkelige effekt‑densitet, brede materialekompatibilitet og skalerbarhed. Med anvendelser, der spænder over energikilder, blå energi og selvforsynende sensorer, er disse enheder blevet succesfuldt integreret i bærbar elektronik, selvforsynende sensorer og store energinetværk.

Men naturligvis er der stadig udfordringer med integration i eksisterende elsystemer, langsigtet stabilitet samt ladnings‑overførsel og konverterings‑effektivitet.

Der findes faktisk forskellige TENG‑strategier til effektiv høst, udnyttelse og omdannelse af ubrugt eller spildt energi. En lovende er solid‑flydende TENG, som i modsætning til traditionelle solid‑solid TENGs tilbyder et enkelt, omkostningseffektivt design, forbedret ladnings‑overførselseffektivitet, selvhelbredende egenskaber, langtidsholdbarhed og tilpasning til dynamiske miljøer.

Forskning har også vist, at modificering af materialer og/eller væsker, såsom hydrofobe overflader eller ioniske opløsninger, kan øge triboelektrisk output og åbne nye veje for energihøstning i vandige og biomedicinske miljøer.

Tidligere i år demonstrerede et hold af forskere brugen af en flydende‑solid TENG til at opsamle ‘blå energi’ fra havbølger⁴, med fokus på at overvinde udfordringen med lav energiproduktion. De gjorde det ved at optimere placeringen af den energisamlende elektrode.

Ved at bruge et 16‑tommer klart plastiktube skabte de en TENG med en kobberfolie‑elektrode i den ene ende. Tuben blev derefter fyldt med vand til en fjerdedel af dens længde, før enderne blev forseglet, med en ledning der forbinder elektroden til et eksternt kredsløb. Enheden blev derefter placeret på en bord‑rocker, som bevægede vandet ind og ud og genererede elektriske strømme.

Dette optimerede design øgede energikonverteringen med 2,4 gange og gjorde det muligt at få en række på 35 LED’er til at blinke.

I et andet eksperiment fra for et par år siden skabte forskere en tang‑lignende TENG⁵ for at demonstrere dens potentiale til at reducere afhængigheden af batterier langs kystlinjen.

Det, de gjorde, var at belægge 1,5‑tommer ved 3‑tommer strimler af to forskellige polymerer med en ledende blæk, indsætte en lille svamp mellem dem for at skabe et tyndt luftspalte, og derefter forsegle hele enheden for at skabe en TENG. Når enheden bevægede sig op og ned i vand, bøjede strimlen frem og tilbage for at generere elektricitet.

Luftspalten blev mindre, når TENG’en blev nedsænket i vand ved tryk, der findes under vand i kystområder, men den genererede stadig en strøm ved 100 kPa. De brugte også en bølgetank til at demonstrere, at flere TENGs kunne anvendes som et mini‑undervandskraftværk, der leverer energi til 30 LED’er eller en miniature blinkende fyrtårns‑LED‑beacon.

Swipe for at rulle →

Brug af vand, nanoporøs silicium og tryk til TENG‑energihøstning

Nu har et europæisk forskerteam vendt sig mod en specifik anvendelse af flydende‑solid TENGs: Intrusion‑Extrusion triboelektriske nanogeneratorer (IE‑TENGs).

Dette system bruger ikke‑vådende væsker, dvs. vand og en polyethylenimin‑opløsning, samt nanoporøse silicium‑monolitter.

Ved at udnytte materialernes hydrofobe nanoporøse arkitektur kan det generere elektricitet gennem kontrolleret bevægelse af væske ind i og ud af indespærrede rum, hvilket forårsager ladningsakkumulering og omfordeling, hvilket resulterer i udsving i strøm og spænding, der kan udnyttes til energikonvertering.

En stor fordel ved IE‑TENGs er, at de kan overvinde en væsentlig begrænsning ved traditionelle TENGs: det begrænsede kontaktområde mellem materialerne. Brug af nanoporøse materialer med overfladearealer fra hundrede til tusinder af kvadratmeter per gram gør det muligt for IE‑TENGs at markant forbedre den område‑specifikke energitæthed og den samlede ydeevne for disse enheder.

Nanoporøse silicium‑monolitter blev derimod anvendt, fordi de er blevet bredt undersøgt inden for medicin, optik, elektronik og mekanik. De gav forskerne flere store fordele.

Dette inkluderer dopet, dvs. ledende, porøst silicium, som forbedrer ladnings‑overførsel og -indsamling under intrusion‑extrusion‑processen, og dermed øger den elektriske output‑effektivitet. Nanoporøse silicium‑monolitter kan også omdannes til hydrofobe overflader, som er essentielle for intrusion‑extrusion‑baseret energigenerering.

Undersøgelsen fandt, at porøse silicium‑monolitter er lovende kandidater til næste generation af IE‑TENGs, idet de opnåede en tre‑ordens‑størrelses‑forøgelse i øjeblikkelig effekt‑densitet og en to‑ordens‑størrelses‑forøgelse i energi per intrusion‑extrusion‑cyklus.

Den mener, at gennem fortsatte fremskridt kan IE‑TENGs, der udnytter porøse ledende materialer, tilbyde et levedygtigt alternativ til “høj‑præstations, selv‑bærende energihøstningssystemer” i bærbar elektronik og industrielle energigenvindings‑applikationer.

Den nye metode til at omdanne mekanisk energi til elektricitet, udviklet af et hold af europæiske videnskabsfolk, bruger vand fanget i silicium‑porer som arbejdsfluid.

I studiet kaldet “Triboelectrification under non-wetting liquids intrusion‑extrusion in hydrofob nanoporøs silicium‑monolitter⁶“, demonstrerede de evnen til cyklisk intrusion og extrusion af vand i vandafvisende nanoporøse silicium‑monolitter til at producere målbar elektrisk kraft.

Det nye system, IE‑TENG, er udviklet i et samarbejde mellem Hamburg University of Technology (TUHH) og DESY (det tyske elektronsynkrotron), University of Ferrara (Italien), CIC energiGUNE (Spanien), Riga Technical University (Letland) og University of Silesia i Katowice (Polen). Det bruger tryk til gentagne gange at tvinge vand ind i og ud af nanometer‑sized porer.

Under denne proces dannes en ladning ved grænsefladen mellem den faste og den flydende fase. Interessant nok er dette en type friktions‑elektricitet, vi ofte ser i hverdagen, som at gå over et vandafvisende PVC‑tæppe med sko på.

Det er et ret almindeligt eksempel på statisk elektricitet genereret af triboelektrisk effekt. Et andet eksempel er at røre ved et dørhåndtag og få et lille elektrisk stød. Hvad der sker, er, at den ophobede elektriske ladning på din krop hurtigt ledes gennem en leder, som et metalhåndtag.

I tilfældet med det nyudviklede system har det opnået en energikonverterings‑effektivitet på op til 9 %.

“Selv rent vand, når det er indespærret på nanoskalering, kan muliggøre energikonvertering,” sagde Professor Patrick Huber, talsmand for BlueMat: Water‑Driven Materials Excellence Cluster ved TUHH og DESY, hvis mål er at udvikle en ny klasse af natur‑inspirerede, bæredygtige materialer, der ændrer deres egenskaber gennem interaktion med vand.

For blot få måneder siden blev klyngen tildelt op til €70 millioner i forskningsmidler, hvilket sikrer støtte indtil 2033.

Deres tilgang til at høste triboelektrisk energi ved at udnytte en monolitisk nanoporøs ramme tilbyder en alternativ vej til at forbedre kontakt‑elektrificering ved indespærrede solid‑flydende grænseflader.

I deres arbejde har forskerne genereret elektricitet i silicium‑porer udelukkende gennem friktion forårsaget af tryk og vand.

“Kombination af nanoporøst silicium med vand muliggør en effektiv, reproducerbar strømkilde — uden eksotiske materialer, men blot ved at bruge den mest udbredte halvleder på jorden, silicium, og den mest udbredte væske, vand.”

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

Designet af materialet her var nøglen, da de havde brug for noget, der tillader overførsel af elektricitet, har porer i nanometerskala og afvises af vand.

“Et afgørende skridt var udviklingen af præcist konstruerede silicium‑strukturer, der samtidigt er ledende, nanoporøse og hydrofobe,” da denne arkitektur gjorde det muligt for dem at kontrollere vandets bevægelse inde i porerne, hvilket gjorde energikonverteringsprocessen både stabil og skalerbar, forklarede Dr. Manuel Brinker fra Hamburg University of Technology.

Forskerne brug af monolitiske silicium‑strukturer i stedet for pulver‑baserede IE‑TENGs, der er afhængige af løse porøse partikler, gjorde det muligt at opnå mere effektiv og reproducerbar energihøstning. De opnåede også betydelige forbedringer i øjeblikkelig effekt‑densitet, som er den effekt, der leveres på et bestemt tidspunkt til et medium af en kortvarig strøm, samt energi per cyklus.

Teamet identificerede også pore‑størrelse og samlet pore‑volumen som de to primære faktorer, der styrer triboelektrisk ydeevne, hvilket understreger vigtigheden af at optimere disse strukturelle egenskaber.

Derudover fandt deres analyse, at højere komprimeringshastigheder forbedrede elektrisk energiproduktion, mens valget af væske‑medium væsentligt forbedrede triboelektrisk effektivitet. Brug af en 0,1 % polyethylenimin (PEI)‑opløsning gjorde det især muligt for teamet at opnå den højeste rapporterede energikonverterings‑effektivitet (9 %) for solid‑flydende TENGs.

Med disse fund sigter teamet mod at give et solidt grundlag for yderligere optimering af solid‑flydende triboelektrisk energihøstning. Fokus for fremtidig forskning, ifølge forskerne, bør være på valg af væske, tilpasning af pore‑arkitekturer og overflademodifikationer af silicium‑monolitter.

Teknologien baner imidlertid vejen for anvendelser i selvforsynende sensorsystemer, bærbar elektronik og miljømæssig energihøstning.

Ifølge videnskabsfolkene åbner den vejen for “autonome, vedligeholdelses‑fri sensorsystemer”.

Så kan teknologien anvendes til vanddetektion og sundhedsovervågning i smarte beklædningsgenstande. Den kan også bruges i haptisk robotik, hvor bevægelse direkte genererer et elektrisk signal. Desuden er teknologien velegnet til anvendelser, der kræver højt mekanisk tryk, såsom køretøjs‑stødabsorberere.

“Vand‑drevne materialer markerer begyndelsen på en ny generation af selv‑bærende teknologier,” udtalte medforfattere Professor Simone Meloni fra University of Ferrara og Dr. Yaroslav Grosu fra CIC energiGUNE.

Som vi for nylig dækkede, blev en sådan ‘natur‑integreret’ design‑tilgang også anvendt til at udvikle en ny vand‑integreret flydende DEG (W‑DEG), der udnytter vandets elektriske og strukturelle egenskaber. Brug af ‘fri vand’ som byggemateriale gjorde det muligt for W‑DEG at have meget lavere vægt og materialomkostninger samt stort potentiale for land‑fri anvendelser, mens den viste enestående skalerbarhed og stor holdbarhed under varierende arbejdsforhold.

Investering i energihøstende halvledere: Casen for TXN

Denne mens disse specifikke silicium‑monolitter i øjeblikket er i forskningsfasen, bør investorer, der ønsker at udnytte den underliggende tendens inden for lav‑effekt energistyring, kigge mod det etablerede halvledermarked, hvor Texas Instruments Incorporated (TXN ) er en nøglespiller, der leverer lav‑effekt mikrocontrollere, strøm‑styrings‑IC’er og analoge/blandede‑signal‑løsninger.

Det globale halvlederselskab designer og fremstiller analoge og indlejrede behandlingschips til bilindustrien, virksomheds‑systemer, personlig elektronik, kommunikationsudstyr og industrielle anvendelser.

Dets portefølje er designet til at håndtere strømkrav på tværs af forskellige spændingsniveauer, herunder strømafbrydere, AC/DC‑ og isolerede DC/DC‑skiftere, DC/DC‑skiftere, spændingsreferencer, batteristyrings‑løsninger og andre.

Texas Instruments har en sund finansiel position. For Q3 2025 rapporterede virksomheden en omsætning på $4,74 milliarder, op 7 % sekventielt og 14 % år‑over‑år, med vækst på tværs af alle slutmarkeder. Analog omsætning voksede med 16 % YoY, indlejret behandling med 9 % og “andre” segmentet med 11 %.

På profitabilitetssiden genererede TI $1,36 milliarder i nettoindkomst og $1,48 i udvandet indtjening per aktie for kvartalet. Over de seneste 12 måneder udgjorde pengestrøm fra driften $6,9 milliarder, og fri pengestrøm var $2,4 milliarder, hvilket understreger virksomhedens evne til at finansiere store capex‑investeringer og aktionærudbytter, mens den stadig investerer i F&U.

“Vores pengestrøm fra driften på $6,9 milliarder for de seneste 12 måneder understregede igen styrken i vores forretningsmodel, kvaliteten af vores produktportefølje og fordelene ved 300 mm produktion.”

– CEO Haviv Ilan

I løbet af Q3 2025 betalte TI omkring $1,2 milliarder i udbytte og genkøbte cirka $119 millioner af sine egne aktier, hvilket bidrog til $6,6 milliarder returneret til aktionærer i de sidste 12 måneder. I september annoncerede virksomheden en 4 % udbytteforhøjelse til $1,42 per aktie, hvilket markerer 22 på hinanden følgende år med udbyttevækst.

Fra slutningen af november 2025 handles TXN omkring midten af $160‑erne, cirka 25–30 % under sit 52‑ugers højeste niveau på $221,69 nået i juli 2025. Selvom aktien er trukket sig tilbage fra disse højder og har leveret negative afkast i det sidste år, tiltrækker kombinationen af stigende analog‑salg, en udbytte‑afkast på over 3 % og langsigtede genkøb fortsat indkomst‑orienterede investorer.

Seneste nyheder om Texas Instruments Incorporated (TXN) aktien

Konklusion: Hvor TENGs passer ind i fremtidens rene energi

I verden af energihøstning tilbyder TENGs en lav‑pris, effektiv og bæredygtig måde at omdanne mekanisk energi til elektricitet. Ved at omdanne ikke kun daglige mekaniske interaktioner, men også væskestrøm og tryk‑udsving til brugbar elektricitet, lover disse teknologier fleksible wearables, selvforsynende sensorer, marine‑miljø energisystemer og mere.

Selvom den virkelige anvendelse af TENGs i øjeblikket er begrænset, kan fortsat forskning med at forfine materialearkitekturer, forbedre effektivitet og integrere TENGs med eksisterende elsystemer gøre disse enheder endelig levedygtige for bredere kommerciel udrulning.

Klik her for en liste over virksomheder, der leder udviklingen af nanoteknologi.

Referencer

1. Jang, M.-H.; Rabbitte, S. P.; Frendi, A.; Conners, R. T.; Lei, Y.; Wang, G. “Wide Bandwidth High-Power Triboelectric Energy Harvesting by Scotch Tape.” ACS Omega 10, no. 3 (2025): 2778–2789. https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08590
2. Jimidar, I. S. M., Mālnieks, K., Sotthewes, K., Sherrell, P. C., & Šutka, A. “Granular Interfaces in TENGs: The Role of Close-Packed Polymer Bead Monolayers for Energy Harvesters.” Small 21, no. 9 (2025): Article 2410155. https://doi.org/10.1002/smll.202410155
3. Wang, Z. L. “The future of TENGs with Zhong Lin Wang.” Communications Materials 6 (2025): Article 125. https://doi.org/10.1038/s43246-025-00847-7
4. Zhang, H.; Dai, G.; Luo, Y.; Zheng, T. “Space Volume Effect in Tube Liquid–Solid Triboelectric Nanogenerator for Output Performance Enhancement.” ACS Energy Letters 9, no. 4 (2024): 1431–1439. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00072
5. Wang, Y.; Liu, X.; Wang, Y.; Wang, H.; Wang, H.; Zhang, S. L.; Zhao, T.; Xu, M.; Wang, Z.-L. “Flexible Seaweed-Like Triboelectric Nanogenerator as a Wave Energy Harvester Powering Marine Internet of Things.” ACS Nano 15, no. 10 (2021): 15700–15709. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05127
6. Bartolomé, L.; Verziaggi, N.; Brinker, M.; Amayuelas, E.; Merchori, S.; Arkan, M. Z.; Eglītis, R.; Šutka, A.; Chorążewski, M. A.; Huber, P.; Meloni, S.; Grosu, Y.; et al. “Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion–extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths.” Nano Energy 146 (2025): Article 111488. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111488