Возможно, у вас был такой опыт: вы весь день в дороге и у вас не было возможности подключить свой iPhone, и как раз тогда, когда вам нужно позвонить или проверить электронную почту, вы видите маленькую красную иконку, указывающую на то, что ваша батарея вот-вот разрядится. Это так расстраивает, что на самом деле становится немного жарко под воротником. Но подождите - может быть, это решение. Что, если вместо того, чтобы выдувать прокладку, вы могли бы каким-то образом преобразовать избыточное тепло тела в электричество и использовать его для питания своего телефона или другого портативного устройства?
Вы уже видели вариацию этой идеи, если являетесь поклонником кинематографической трилогии «Матрица», в которой гигантская компьютерная сеть питает себя, выкачивая энергию из легионов коматозных, ничего не подозревающих человеческих существ.. Однако мы не говорим о чем-то столь жутком. Маломасштабная термоэлектрическая генерация энергии, в которой тепло тела используется для питания портативных устройств, - это концепция, над которой ученые довольно пристально изучают в последние годы, поскольку наша тяга носить энергоемкие гаджеты в наших карманах продолжает расти.
Недавно исследователи из Центра нанотехнологий и молекулярных материалов Университета Уэйк-Форест укрепили перспективы термоэлектрической генерации энергии, когда они разработали тканеподобный материал под названием «энергетический войлок», который способен использовать разницу между теплом объекта и комнатной температуре для создания электрического заряда.
Один из исследователей, работавший над проектом, предлагает создать куртку из войлока и использовать ее для питания iPod. Но сила войлока должна быть не только в одежде. Ручка фонарика, обтянутая войлоком, может быть отличной вещью во время длительного отключения электроэнергии, а автокресло, сделанное из этого материала, может потреблять энергию от вашей задней части для питания ваших окон или радио. И есть другие нечеловеческие источники энергии, которые мы могли бы использовать для извлечения.
Как работает термоэлектрическая энергетика в масштабах человека
Если вы недоумеваете, как ваше потное тело может питать iPad теплым летним днем, подумайте об этом так: почти все электричество, используемое людьми, - около 10 триллионов ватт - вырабатывается за счет выделения тепла. энергии (обычно путем сжигания ископаемого топлива для нагрева воды) с последующим преобразованием этого тепла в механическую энергию. Затем механическая энергия используется для запуска генераторов и получения электрического тока. Этот испытанный метод, называемыйтермоэлектроэнергетикой, производит много энергии, что и говорить. Но это также тратит много энергии, потому что механический процесс не так эффективен при использовании тепла. Фактически, более половины этого тепла просто уходит в атмосферу.
Было бы намного лучше, по крайней мере в теории, если бы мы могли найти практический способ генерировать электричество непосредственно из тепла. Ученым давно известно, что это возможно, потому что, когда есть разница в температуре окружающей среды и температуры объекта, проводящий материал между ними может использовать этот контраст для генерации электрического тока без какой-либо турбины или механического генератора. Это известно какэффект Зеебека
Хитрость в создании и сборе этого немеханического электричества заключается в том, чтобы найти правильный проводящий материал. Некоторое время исследователи строили прямые термоэлектрические генераторы, в которых используется металлический сплав, теллурид висмута и сурьмы, который способен генерировать электричество из тепла. Но этот материал дорог и не так уж и эффективен.
Вот почему все так в восторге от войлока, который, несмотря на свое название, на самом деле не является тканью, сотканной из шерсти, как то, что используют на бильярдных столах. Вместо этого силовой войлок состоит из пластиковых волокон, обернутых вокруг крошечных - и под крошечными мы подразумеваем толщину в один атом - структуры, называемые углеродными нанотрубками, которые очень, очень хорошо проводят электричество. Кроме того, он потенциально дешев в производстве, что означает, что мы можем использовать его повсюду.
Будут ли наши тела когда-нибудь реальным источником электричества?
Хотя было бы здорово питать iPad теплом своего тела, нам, вероятно, не нужно беспокоиться о том, что нас поработят для питания гигантской компьютерной сети, как в фильмах «Матрица». Люди являются потенциальным источником электричества, но довольно ограниченным. Например, взрослый мужчина теоретически может генерировать от 100 до 120 ватт энергии. Это не поможет осветить Эмпайр-стейт-билдинг, но этого может быть достаточно для питания некоторых персональных электронных устройств - ноутбуку требуется около 45 Вт, а мобильному телефону - около 1 Вт для работы.
Тем не менее, исследователям еще многое предстоит сделать, прежде чем мы сможем использовать значительную часть потенциала нашего тела для выработки электроэнергии. Хотя идея с войлоком многообещающая, первоначальная демонстрационная версия способна генерировать только около 140 нановатт сока. Злодейский агент Смит из фильмов «Матрица» был бы разочарован, так как это всего лишь около миллиардной доли ватта. Другие доступные проводящие материалы для преобразования тепла тела в энергию не намного лучше. По некоторым оценкам, такие устройства способны собирать около 0,4 процента тепловой энергии тела и преобразовывать ее в электричество. Это означает, что если вы покроете все свое тело термоэлектрическими генераторами, вы будете производить только 0,5 Вт электричества.
Тем не менее, мы, вероятно, со временем улучшим эту производительность, а также одновременно разработаем электронные устройства, которые намного эффективнее используют энергию, чем современные гаджеты. Исследователи уже работают, например, над созданием суперэнергоэффективных медицинских датчиков, которые могли бы использовать тепло тела пациента. Но реальная польза от войлока может быть связана с его использованием для улавливания тепловой энергии, потраченной впустую нашими машинами. Недавнее исследование Массачусетского технологического института, например, показывает, что, используя избыточное тепло от ноутбуков и мобильных телефонов, мы могли бы удвоить срок службы их батарей. Облицовка автомобильных двигателей, внутренних стен и труб электростанций войлоком может дать огромный запас электричества, о котором мы даже не подозревали.
Примечание автора
Я большой поклонник научной фантастики-антиутопии, и фильм 1999 года "Матрица", первый в трилогии Вачовски, является одним из моих любимых. Но для меня Матрица на самом деле скорее метафора нашей нынешней фиксации каждого момента бодрствования на синтетических развлечениях, созданных видеоиграми и потоковым видео в Интернете, чем план реального будущего. (В этом смысле можно провести параллель с романом Джорджа Оруэлла «1984», который, по мнению некоторых, на самом деле был предупреждением против тоталитарных тенденций, которые, по мнению автора, скрывались за конституционной демократией Англии после Второй мировой войны.) Если мы не совершим по-настоящему удивительных технологических прорывов, которые отвергнут законы физики в том виде, в каком мы их сейчас понимаем, компьютерная сеть, работающая на выкачивании энергии из коматозных людей, будет просто фантазией. Например, в статье для Science Channel я однажды подсчитал, что если бы можно было получить 1,3 микроватта энергии от каждого человека на планете, этого хватило бы только на то, чтобы привести в действие набор динамиков для домашнего кинотеатра высокого класса. система.