Water-aangedreven tribo-elektrische nanogeneratoren uitgelegd

Gedreven door de behoefte aan grotere energiezekerheid, kostenbesparingen en milieuzorgen, groeit de vraag naar duurzame energieoplossingen aanzienlijk.

Dit heeft onderzoekers ertoe gebracht energie-oogsttechnologieën te ontwikkelen die omgevingsmechanische energie omzetten in elektrische stroom. Deze technologieën kunnen een cruciale rol spelen in toepassingen zoals energieopwekking, transport en elektronica.

Onder deze technologieën zijn tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) naar voren gekomen als een veelbelovende manier om mechanische energie uit onze omgeving, zoals beweging en trillingen, te benutten.

Als gevolg hiervan onderzoeken veel onderzoekers nieuwe materialen, ontwerpen en mechanismen om de energieopbrengst, duurzaamheid en schaalbaarheid voor praktisch gebruik te verbeteren.

Eerder dit jaar toonden onderzoekers van de University of Alabama het gebruik van deze apparaten om elektriciteit op te wekken. Het cruciale punt was het gebruik van goedkope, in de winkel verkrijgbare, stevige tape in combinatie met plastic en aluminium, in plaats van dure, speciaal vervaardigde materialen die normaal voor TENG’s worden gebruikt.

Deze verbeterde versie van TENG¹ maakt gebruik van de interactie tussen de drukgevoelige acrylkleeflaag van de tape en de polypropyleen-achterkant om tot 53 milliwatt vermogen te genereren. De TENG werd op een trillende plaat geplaatst, die de twee lagen herhaaldelijk in contact brengt en vervolgens scheidt, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Naast het genereren van voldoende vermogen om meer dan 350 LED-lichtjes en een laserpointer te verlichten, werd het apparaat ook geïntegreerd in een akoestische sensor en een zelfvoorzienende wearable.

In een andere studie genereerden een internationaal team van onderzoekers elektriciteit met behulp van kleine plastic korrels² die dicht bij elkaar op een oppervlak werden geplaatst, en vervolgens in contact werden gebracht met een ander oppervlak met dezelfde korrels, waardoor meer elektriciteit werd geproduceerd dan normaal.

De grootte en het materiaal van de korrels bleken hier van belang te zijn, waarbij de hoofdautor, Dr. Ignaas Jimidar van VUB, opmerkte: “kleine veranderingen in materiaalkeuze kunnen leiden tot significante verbeteringen in de efficiëntie van energieopwekking,” wat nieuwe mogelijkheden creëert voor TENG’s in het dagelijks leven, zonder afhankelijk te zijn van traditionele energiebronnen.

Deze bevindingen en vooruitgangen tonen aan dat onderzoekers de weg vrijmaken voor transformatieve toepassingen van TENG-technologie.

Volgens Zhong Lin Wang, die als eerste een werkende TENG demonstreerde, kunnen tribo-elektrische nanogeneratoren cruciaal zijn in de beweging naar energie-democratisering.

“Door alledaagse fysieke handelingen te benutten, maken ze het mogelijk dat elektronica zelfvoorzienend is, waardoor de afhankelijkheid van gecentraliseerde energienetwerken wegvalt. Deze ‘ambient energy scavenging’ sluit nauw aan bij verschillende wereldwijde trends, zoals duurzaamheid, gepersonaliseerde gezondheidszorg en het Internet of Things,” zei Wang in een interview.³ “TENG’s zijn al levensvatbaar voor laag-vermogen, gedistribueerde sensoren, maar hun echte doorbraak ligt in toekomstige grootschalige energie‑oogst en mens‑machine synergie.”

Hoe tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) beweging omzetten in elektriciteit

Naarmate het onderzoek naar tribo-elektrische nanogeneratoren blijft versnellen, hebben recente ontwikkelingen de reikwijdte van wat deze apparaten kunnen oogsten uitgebreid, van subtiele trillingen en lichaamsbeweging tot omgevingskrachten zoals wind, druppels en vloeistofstromen.

Nu, hoe werken deze tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s)? Wel, ze zetten mechanische energie om in elektrische energie via contactelektrificatie en elektrostatische inductie.

Contactelektrificatie omvat de overdracht van lading die optreedt wanneer twee oppervlakken in contact komen, waarbij het ene positief en het andere negatief geladen wordt. Elektrostatische inductie, of elektrostatische invloed, is ondertussen een herverdeling van elektrische lading zonder direct contact.

Het mooie aan TENG’s is hun hoge onmiddellijke vermogensdichtheid, brede materiaalkompatibiliteit en schaalbaarheid. Met toepassingen die variëren van energiebronnen, blauwe energie en zelfvoorzienende sensoren, zijn deze apparaten succesvol geïntegreerd in draagbare elektronica, zelfvoorzienende sensoren en grootschalige energienetwerken.

Maar natuurlijk zijn er nog steeds uitdagingen op het gebied van integratie met bestaande energiesystemen, langetermijnstabiliteit, en ladingsoverdracht‑ en conversie‑efficiëntie.

Er bestaan verschillende TENG‑strategieën voor het effectief oogsten, benutten en omzetten van ongebruikte of verspilde energie. Een veelbelovende is de vast‑vloeistof TENG, die, in tegenstelling tot traditionele vast‑vast TENG’s, een eenvoudig, kosteneffectief ontwerp biedt, een verbeterde ladingsoverdrachtsefficiëntie, zelfherstellende mogelijkheden, lange levensduur en aanpasbaarheid aan dynamische omgevingen.

Onderzoek heeft ook aangetoond dat het aanpassen van materialen en/of vloeistoffen, zoals hydrofobe oppervlakken of ionische oplossingen, de tribo-elektrische output kan verhogen en nieuwe wegen opent voor energie‑oogst in waterige en biomedische omgevingen.

Eerder dit jaar toonde een team van onderzoekers het gebruik van een vloeistof‑vast TENG om ‘blauwe energie’ uit oceaangolven te capturen⁴ te demonstreren, met focus op het overwinnen van de uitdaging van lage energie‑output. Ze deden dit door de locatie van de energie‑verzamelende elektrode te optimaliseren.

Met een 16‑inch heldere plastic buis maakten ze een TENG met een koperen folie‑elektrode aan één uiteinde. De buis werd vervolgens voor een kwart van de lengte gevuld met water, waarna de uiteinden werden afgedicht, met een draad die de elektrode met een externe schakeling verbond. Het apparaat werd vervolgens op een tafel‑schommel geplaatst, die het water binnenin heen en weer bewoog en elektrische stromen genereerde.

Dit geoptimaliseerde ontwerp verhoogde de energie‑conversie met 2,4‑maal en maakte het mogelijk om een reeks van 35 LED’s te laten knipperen.

In een ander experiment van enkele jaren geleden creëerden onderzoekers een zeewier‑achtige TENG⁵ om het potentieel te demonstreren om de afhankelijkheid van batterijen langs de kustlijn te verminderen.

Wat ze deden was twee stroken van 1,5 inch bij 3 inch van verschillende polymeren te coaten met een geleidende inkt, een klein sponsje ertussen te plaatsen om een dunne luchtspouw te creëren, en vervolgens de hele eenheid af te dichten om een TENG te vormen. Wanneer het apparaat op en neer bewoog in water, buigde de strook heen en weer om elektriciteit te genereren.

De luchtspouw verkleinde toen de TENG ondergedompeld werd in water bij drukken die onder water in kustgebieden voorkomen, maar hij genereerde nog steeds een stroom bij 100 kPa. Ze gebruikten ook een golftank om te demonstreren dat meerdere TENG’s konden dienen als een mini‑onderwaterstroomstation, dat energie leverde voor 30 LED’s of een miniatuur knipperende vuurtoren‑LED‑baken.

Veeg om te scrollen →

Water, nanoporeus silicium en druk gebruiken voor TENG‑energie‑oogst

Nu heeft een Europees team van onderzoekers zich gericht op een specifieke toepassing van vloeistof‑vast TENG’s: de Intrusie‑Extrusie Tribo‑elektrische Nanogeneratoren (IE‑TENG’s).

Dit systeem maakt gebruik van niet‑wetende vloeistoffen, d.w.z. water en een polyethyleenimine‑oplossing, en nanoporeuze silicium monolieten.

Door gebruik te maken van de hydrofobe nanoporeuze architectuur van de materialen, kan het elektriciteit genereren door de gecontroleerde beweging van vloeistof in en uit begrensde ruimten, wat ladingaccumulatie en herverdeling veroorzaakt, resulterend in fluctuaties in stroom en spanning die benut kunnen worden voor energie‑conversie.

Een groot voordeel van IE‑TENG’s is dat ze een belangrijke beperking van traditionele TENG’s kunnen overwinnen: het beperkte contactoppervlak tussen de materialen. Het gebruik van nanoporeuze materialen met oppervlaktes variërend van honderden tot duizenden vierkante meters per gram stelt IE‑TENG’s in staat om de gebied‑specifieke energiedichtheid en de algehele prestaties van deze apparaten aanzienlijk te verbeteren.

Nanoporeuze silicium monolieten werden ondertussen gebruikt omdat ze breed onderzocht zijn in de medische, optische, elektronische en mechanische velden. Ze boden de onderzoekers enkele belangrijke voordelen.

Dit omvat gedoopte, d.w.z. geleide, poreuze silicium, die de ladingsoverdracht en -verzameling tijdens het intrusie‑extrusie‑proces verbetert, waardoor de efficiëntie van de elektrische output stijgt. Nanoporeuze silicium monolieten kunnen ook worden omgevormd tot hydrofobe oppervlakken, die essentieel zijn voor intrusie‑extrusie‑gebaseerde energie‑generatie.

De studie vond dat poreuze silicium monolieten veelbelovende kandidaten zijn voor de volgende generatie IE‑TENG’s, met een toename van drie orders van grootte in de onmiddellijke vermogensdichtheid en een toename van twee orders van grootte in energie per intrusie‑extrusie‑cyclus.

Men gelooft dat door voortdurende vooruitgang IE‑TENG’s die gebruikmaken van poreuze geleidingsmaterialen een levensvatbaar alternatief kunnen bieden voor “hoog‑presterende, zelfonderhoudende energie‑oogstsystemen” in draagbare elektronica en industriële energie‑hersteltoepassingen.

De nieuwe manier om mechanische energie om te zetten in elektriciteit, ontwikkeld door een team van Europese wetenschappers, gebruikt water gevangen in siliciumporiën als werkvloeistof.

In de studie genaamd “Triboelectrification during non-wetting liquids intrusion-extrusion in hydrophobic nanoporous silicon monoliths⁶” toonden ze de mogelijkheid aan van cyclische intrusie en extrusie van water in water‑resistente nanoporeuze silicium monolieten om kwantificeerbare elektrische energie te produceren.

Het nieuwe systeem, IE‑TENG, is ontwikkeld in een samenwerking tussen de Hamburg University of Technology (TUHH) en DESY (de Duitse Elektron Synchrotron), de Universiteit van Ferrara (Italië), CIC energiGUNE (Spanje), Riga Technical University (Letland), en de Universiteit van Silesië in Katowice (Polen). Het gebruikt druk om herhaaldelijk water in en uit nanometer‑grote poriën te duwen.

Tijdens dit proces wordt er een lading geproduceerd op de interface tussen het vaste en het vloeibare. Interessant genoeg is dit een vorm van wrijvings‑elektriciteit die we vaak in het dagelijks leven zien, zoals lopen over een water‑afstotende PVC‑tapijt met schoenen aan.

Het is een vrij algemeen voorbeeld van statische elektriciteit die wordt gegenereerd door het tribo‑elektrische effect. Een ander voorbeeld is het aanraken van een deurklink en een kleine elektrische schok krijgen. Wat er gebeurt is dat de ophoping van elektrische lading op uw lichaam snel ontlaadt via een geleider, zoals een metalen handgreep.

In het geval van het nieuw ontwikkelde systeem heeft het een energie‑conversierendement van tot 9 % bereikt.

“Zelf zuiver water, wanneer het op nanoschaal wordt opgesloten, kan energie‑conversie mogelijk maken,” zei professor Patrick Huber, de woordvoerder van de BlueMat: Water‑Driven Materials Excellence Cluster aan de TUHH en DESY, wiens doel is een nieuwe klasse van door de natuur geïnspireerde, duurzame materialen te ontwikkelen die hun eigenschappen veranderen door interactie met water.

Enkele maanden geleden kreeg het cluster tot €70 miljoen aan onderzoeksfinanciering toegekend, waarmee steun tot 2033 is verzekerd.

Hun benadering om tribo‑elektrische energie te oogsten door een monolithisch nanoporeus raamwerk te gebruiken, biedt een alternatief pad om contactelektrificatie bij begrensde vast‑vloeistof interfaces te verbeteren.

In hun werk hebben de onderzoekers elektriciteit in siliciumporiën opgewekt uitsluitend door wrijving veroorzaakt door druk en water.

“Het combineren van nanoporeus silicium met water maakt een efficiënte, reproduceerbare energiebron mogelijk — zonder exotische materialen, maar simpelweg door het meest voorkomende halfgeleider op aarde, silicium, en de meest voorkomende vloeistof, water, te gebruiken.”

– Dr. Luis Bartolomé, CIC energiGUNE

Het ontwerp van het materiaal was hier de sleutel, omdat ze iets nodig hadden dat de overdracht van elektriciteit mogelijk maakt, nanometer‑schaal poriën heeft en door water wordt afgestoten.

“Een cruciale stap was de ontwikkeling van nauwkeurig ontworpen siliciumstructuren die tegelijk geleidend, nanoporeus en hydrofoob zijn,” aangezien deze architectuur hen in staat stelde de beweging van water binnen de poriën te beheersen, waardoor het energie‑conversieproces zowel stabiel als schaalbaar werd, legde Dr. Manuel Brinker van de Hamburg University of Technology uit.

Het gebruik van monolithische siliciumstructuren door de onderzoekers, in plaats van poeder‑gebaseerde IE‑TENG’s die afhankelijk zijn van losse poreuze deeltjes, maakte een efficiëntere en reproduceerbare energie‑oogst mogelijk. Ze behaalden ook aanzienlijke verbeteringen in de onmiddellijke vermogensdichtheid, dat is het vermogen dat op een bepaald moment aan een medium wordt geleverd door een transiënte stroom, en in energie per cyclus.

Het team identificeerde ook poriegrootte en het totale porevolume als de twee belangrijkste factoren die de tribo‑elektrische prestaties bepalen, waarmee het belang van optimalisatie van deze structurele eigenschappen wordt benadrukt.

Bovendien toonde hun analyse aan dat hogere compressiesnelheden de elektrische energieproductie verhoogden, terwijl de keuze van het vloeistofmedium de tribo‑elektrische efficiëntie aanzienlijk verbeterde. Het gebruik van een 0,1 % polyethyleenimine (PEI) oplossing stelde het team in staat om het hoogste gerapporteerde energie‑conversierendement (9 %) voor vast‑vloeistof TENG’s te bereiken.

Met deze bevindingen wil het team een stevige basis bieden voor verdere optimalisatie van vast‑vloeistof tribo‑elektrische energie‑oogst. De focus van toekomstig onderzoek, volgens de onderzoekers, moet liggen op de selectie van vloeistoffen, het afstemmen van porele architecturen en oppervlakte‑modificaties van silicium monolieten.

De technologie maakt ondertussen de weg vrij voor toepassingen in zelfvoorzienende sensorsystemen, draagbare elektronica en milieugerichte energie‑oogst.

Volgens de wetenschappers opent het de weg voor “autonome, onderhoudsvrije sensorsystemen”.

Dus kan de technologie worden toegepast op waterdetectie en gezondheidsmonitoring in slimme kleding. Het kan ook worden gebruikt in haptische robotica, waar beweging direct een elektrisch signaal genereert. Bovendien is de technologie zeer geschikt voor toepassingen die hoge mechanische druk vereisen, zoals schokdempers in voertuigen.

“Water‑aangedreven materialen markeren het begin van een nieuwe generatie zelfonderhoudende technologieën,” verklaarden co‑auteurs professor Simone Meloni van de Universiteit van Ferrara en Dr. Yaroslav Grosu van CIC energiGUNE.

Zoals we recentelijk bespraken, werd een dergelijke ‘natuur‑geïntegreerde’ ontwerpbenadering ook toegepast om een nieuw drijvend water‑geïntegreerd DEG (W‑DEG) te ontwikkelen dat gebruikmaakt van de elektrische en structurele eigenschappen van water. Het gebruik van ‘vrij water’ als bouwmateriaal stelde de W‑DEG in staat om een veel lager gewicht en materiaalkosten te hebben en een groot potentieel voor land‑vrije toepassingen, terwijl het uitstekende schaalbaarheid en grote duurzaamheid liet zien onder wisselende werkomstandigheden.

Investeren in energie‑oogstende halfgeleiders: Het geval van TXN

Hoewel deze specifieke silicium monolieten zich momenteel in de onderzoeksfase bevinden, moeten investeerders die willen profiteren van de onderliggende trend van laag‑vermogen energiebeheer kijken naar de gevestigde halfgeleidermarkt, waar Texas Instruments Incorporated (TXN ) een belangrijke speler is, die laag‑vermogen microcontrollers, power‑management IC’s en analoge/mixed‑signal oplossingen levert.

Het wereldwijde halfgeleiderbedrijf ontwerpt en produceert analoge en embedded verwerkingschips voor de automobielindustrie, bedrijfsystemen, persoonlijke elektronica, communicatietoestellen en industriële toepassingen.

Zijn portfolio is ontworpen om energie‑behoeften over verschillende spanningsniveaus te beheren, waaronder vermogensschakelaars, AC/DC en geïsoleerde DC/DC schakelende regelaar, DC/DC schakelende regelaar, spanningsreferenties, batterij‑beheer oplossingen en andere.

Texas Instruments heeft een gezonde financiële positie. Voor Q3 2025 rapporteerde het bedrijf een omzet van $4,74 miljard, een stijging van 7 % opeenvolgend en 14 % jaar‑over‑jaar, met groei in alle eindmarkten. De analoge omzet groeide met 16 % YoY, embedded processing met 9 % en het “overige” segment met 11 %.

Aan de winstgevendheid kant genereerde TI $1,36 miljard netto‑inkomen en $1,48 in verwaterde winst per aandeel voor het kwartaal. Over de afgelopen 12 maanden bedroeg de operationele kasstroom $6,9 miljard, en de vrije kasstroom $2,4 miljard, wat de mogelijkheid van het bedrijf onderstreept om zware kapex en aandeelhoudersrendementen te financieren terwijl het nog steeds investeert in R&D.

“Onze operationele kasstroom van $6,9 miljard voor de afgelopen 12 maanden onderstreepte opnieuw de sterkte van ons bedrijfsmodel, de kwaliteit van ons productportfolio, en het voordeel van 300 mm productie.”

– CEO Haviv Ilan

Tijdens Q3 2025 betaalde TI ongeveer $1,2 miljard aan dividenden en kocht ongeveer $119 miljoen aan eigen aandelen terug, wat bijdroeg aan $6,6 miljard die de afgelopen 12 maanden aan aandeelhouders is teruggegeven. In september kondigde het bedrijf een dividendverhoging van 4 % naar $1,42 per aandeel aan, waarmee 22 opeenvolgende jaren van dividendgroei werden gemarkeerd.

Vanaf eind november 2025 wordt TXN verhandeld rond de midden‑$160, ongeveer 25–30 % onder de 52‑week high van $221,69 die in juli 2025 werd bereikt. Hoewel het aandeel zich heeft teruggetrokken van die hoogtepunten en negatieve rendementen heeft opgeleverd in het afgelopen jaar, blijft de combinatie van stijgende analoge verkopen, een dividendrendement van meer dan 3 %, en langetermijn‑aankoopprogramma’s inkomsten‑georiënteerde beleggers aantrekken.

Laatste Texas Instruments Incorporated (TXN) Aandelen Nieuws

Conclusie: Waar TENG’s passen in de toekomst van schone energie

In de wereld van energie‑oogst bieden TENG’s een goedkope, efficiënte en duurzame manier om mechanische energie om te zetten in elektriciteit. Door niet alleen alledaagse mechanische interacties maar ook vloeistofstromen en drukfluctuaties om te zetten in bruikbare elektriciteit, beloven deze technologieën flexibele wearables, zelfvoorzienende sensoren, mariene‑omgeving energiesystemen en meer.

Hoewel de real‑world adoptie van TENG’s momenteel beperkt is, kunnen deze apparaten door voortgezet onderzoek naar verfijning van materiaalarchitecturen, verbetering van efficiëntie en integratie met bestaande energiesystemen uiteindelijk levensvatbaar worden voor bredere commerciële inzet.

Klik hier voor een lijst van bedrijven die vooroplopen in de ontwikkeling van nanotechnologie.

Referenties

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