Сам себе аккумулятор: как человек становится источником энергии будущего

Квинсленд — живописный уголок Австралии, рай для любителей пляжного отдыха. Ежегодно с марта по май на скалистый берег съезжаются сотни серфингистов в надежде покорить самые протяженные волны на свете. Силу волны, мощь течений в океанах, движение водных массивов во время приливов и отливов человек давно научился использовать себе во благо. В часе езды от мекки серфинга в Квинследском технологическом университете ученые теперь думают о другом — как эффективно применить энергию самого человека, его организма.

Профессор Квинследского университета Чжиганг Чен не первый год занимается вопросами наращивания потенциала энергетических материалов. Исследовательская группа под его руководством разработала ультратонкую пленку, способную преображать тепло тела в электричество. Это легкий и гибкий термоэлектрический преобразователь, технология которого основывается на использовании полупроводников и хорошо известном физикам эффекте Зеебека. Немецкий академик Томас Зеебек описал его в 1821 году, обнаружив электродвижущую силу, возникающую между двумя проводниками при условии разницы их температур.

Следуя неизменным законам физики, львиная доля энергии, вырабатываемой организмом человека, сопровождается теплоотдачей. Ее объемы зависят от множества показателей — погодных условий, пола, веса и других. Один из ключевых — степень активности. Так, за просмотром телевизора или чтением книги мы, в среднем, теряем через кожу и дыхание тепло, эквивалентное потреблению настольной лампы или вентилятора — 70−100 ватт. При увеличении нагрузки, например, на прогулке или легкой пробежке наше тело может отдавать в окружающую среду 200−400 ватт, а во время интенсивных упражнений — уже до 1000 ватт, что сравнимо с энергопотреблением микроволновой печи. Даже во время сна, когда метаболизм сильно замедляется, организм производит около 40−60 ватт энергии.

Однако в нашем случае вопрос не в количестве энергии — физика человеческого тела создает ее в достаточном объеме для поддержания работы многих современных микроэлектронных устройств. К примеру, кардиостимуляторы последних поколений потребляют всего 15−40 микроватт. Главный вызов для таких исследователей, как Чжиганг Чен, заключался в том, как эффективно собрать и преобразовать ускользающее в атмосферу тепло.

Разработанная в Квинсленде пленка представляет собой многослойную структуру на основе теллурида висмута (Bi2Te3) с добавлением серебра. Для ее создания ученые использовали метод сольвотермального синтеза, при котором исходные компоненты (оксид висмута, оксид серебра и теллурит натрия) растворяются в этиленгликоле и нагреваются под давлением при температуре 230 °C. Полученный материал затем превращается в специальные чернила для печати, смешиваясь с органическими связующими компонентами в точно выверенных пропорциях.

Напечатанная пленка проходит двухступенчатую термическую обработку: сначала сушку при 200 °C, а затем отжиг при 450 °C под давлением 3 МПа. Такой режим обеспечивает оптимальную кристаллическую структуру материала, что подтверждается рентгеноструктурным анализом. Получается пленка, которая при разнице температур в 20 °C способна генерировать мощность до 2.7 микроватт на 1 см².

Для большинства гаджетов на масс-маркете это весьма скромный показатель. К примеру, чтобы зарядить средней категории смартфон таким образом, понадобится «костюм» из такой пленки масштабами с теннисный корт. Но для гибких термоэлектрических преобразователей это большое достижение, ведь в таком случае фрагмента размером с ладонь будет достаточно для питания экономичных биосенсоров или умных часов в режиме минимального энергопотребления. А пленка размером с кредитную карту при аналогичных температурных условиях сможет генерировать около 120 микроватт энергии, обеспечивая бесперебойную работу современного датчика артериального давления.

Как отмечают авторы разработки, в будущем технология может быть модифицирована для работы с другими материалами, такими как селенид серебра, который дешевле и экологичнее теллура.

В ближайшие несколько лет гибкие термоэлектрические пленки могут стать неотъемлемой частью мировой энергетики, как в Австралии, так и далеко за её пределами. Подобный материал будет востребован в самых разных областях — от индивидуальных систем обогрева и кондиционирования до охлаждения электронных компонентов в устройствах, которые мы ежедневно носим с собой — от трекеров и фитнес-браслетов до очков дополненной реальности.

Благодаря своей гибкости и устойчивости к деформациям, термоэлектрические пленки могут применяться в спортивной экипировке, дополнять повседневную одежду или специальную форму. Такой «умный текстиль» сможет не только регулярно «подпитывать» носимые устройства, но и собирать данные о физической активности пользователя, контролировать его температуру тела и другие показатели здоровья.

Медицина традиционно выступает первопроходцем в освоении новых технологий получения энергии от человеческого тела. Это неудивительно: именно здесь потребность в надежных и долговечных источниках питания особенно высока. Нательные медицинские устройства, датчики мониторинга состояния пациентов и диагностическое оборудование требуют постоянного и надежного электропитания.

В этой сфере сейчас активно ведутся поиски оптимальных инженерных решений, и кажется, изыскания завели новаторов уже достаточно глубоко. Так, российские ученые предложили оригинальный способ подзарядки медицинских имплантов — с помощью «электростанции», работающей на глюкозе. Специалисты Курчатовского института создали биотопливный элемент, способный вырабатывать электричество из этого главного поставщика энергии для наших клеток.

Разработка особенно важна для кардио- и нейростимуляторов, которые сейчас работают от аккумуляторов, требующих периодической замены через хирургическое вмешательство. Система не отторгается тканями организма и может быть установлена через кровоток с помощью стентирования. После установки остается подключить биотопливный элемент к медицинскому устройству через два небольших прокола.

Столь разные подходы к использованию энергии человеческого тела показывают, насколько многообразной может быть инженерия будущего, будь то термоэлектрическая пленка из лабораторий Квинсленда, биотопливный элемент из Курчатовского института или система рекуперации тепла в клубе Глазго. Потенциал этой энергетической волны велик и не ограничивается исключительно удобством для пользователей и экономической выгодой. Речь идет о глобальной трансформации способов взаимодействия с энергией, в ходе которой, не исключено, человек из потребителя превратится в ее поставщика.