Вечнозаряженные гаджеты
На новостных и научно-популярных порталах России и ближнего зарубежья активно обсуждают совместную разработку Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Технологического университета Лулело в Швеции и Йенского университета имени Фридриха Шиллера в Германии. Международная группа ученых представила термоэлектрический полимерный материал, способный преобразовывать в энергию тепло человеческого тела. Участник научной группы со стороны МИСиС кандидат физико-математических наук Хабиб Юсупов предположил, что в будущем браслет для часов или чехол для мобильного телефона, изготовленные из нового полимера, избавят от необходимости постоянно подзаряжать устройства. Сам человек за счет разницы температуры тела и внешней среды станет источником энергии для своих гаджетов и аксессуаров.
Велофонари уже давно используют человеческую энергию в качестве «топлива»
Подобный эффект еще в 1821 году описал немецкий физик Томас Иоганн Зеебек: чем больше разница температур внутри термоэлектрического материала, тем больше электродвижущая сила. Теоретически максимальную мощность за счет браслета на руке мы сможем вырабатывать, оказавшись с коротким рукавом на морозе. Но это в теории, а на практике у нового материала для браслетов пока нет даже официального названия, авторы характеризуют новинку как гибкий энергоэффективный полимер. Основой для него стал полиэтилендиокситиофен, обработанный для улучшения свойств диметилсульфоксидом и этиленгликолем.
На полупроводниковой подложке ученые «вырастили» углеродные нанотрубки и залили поверхность полимером – структура из нанотрубок значительно повышает электропроводность материала, а дополнительная обработка увеличивает мощность. Обычно термоэлектрики изготавливают из металлосплавов. Полимеры же в качестве альтернативы более гибкие, нетоксичные, снижают потери при конвертации энергии.
Полимеры геологов
Ученые называют идею создания нового полимера вполне разумной и даже перспективной, но при условии серьезной дальнейшей доработки. А вот сенсационные заявления о возможной подпитке гаджетов за счет температуры тела научное сообщество пока не вдохновляют. Гораздо полезнее термоэлектрические материалы могут быть в путешествиях, в том числе космических, вдали от привычных источников энергии.
Мировые попытки
У создателей нового термоэлектрика немало единомышленников по всему миру, в научных изданиях регулярно публикуются исследования о преобразовании в энергию тепла человеческого тела. В октябре 2017 года ученые из Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН представили материал под названием «черное тело», уникальный состав позволяет максимально поглощать тепло человека и вырабатывать энергию, достаточную для портативных устройств. В 2013 году юная жительница Канады Анна Макосински изобрела фонарик, который заряжался от тепла руки, а через год усовершенствовала свою модель: фонарик стал налобным и подпитывался уже от головы. В 2015 году аналогичный фонарь без батарейки предложил инвесторам американский инженер Росс Журавский. Владимир Леонов и Рууд Валлерс из Межуниверситетского центра микроэлектроники в Бельгии продемонстрировали поглотитель энергии в виде повязки на голове, а также рубашку с датчиком для ЭКГ и часы, которые снабжаются энергией исключительно за счет владельца.
Тепло – самый распространенный, но далеко не единственный человеческий ресурс
Тепло – самый распространенный, но далеко не единственный человеческий ресурс, которому можно найти применение. Еще в 2007 году в Массачусетском технологическом институте 10 студентов-велосипедистов, вращая педали, почти 20 минут обеспечивали энергией мощнейший компьютер. Университет американского штата Висконсин создал опытный образец обуви, аккумулирующей до 10 ватт энергии при ходьбе. А британский мобильный оператор презентовал футболку со вставкой из пьезоэлектрической пленки, способной превратить в энергию любые движения человека. Профессор Том Крупенкин из университета американского штата Висконсин вмонтировал специальное устройство в подошву обуви и обеспечил беспроводную связь подошвы со смартфоном.
В Техасском университете недавно подсчитали, что энергия человека соответствует в среднем 80-ваттовой лампочке, и настойчиво изобретают способ напитать этой энергией сенсоры для контроля состояния спортсменов и военных. На грани фантастики и медицины балансируют эксперименты по зарядке всевозможных электродов-стимуляторов, вживляемых в тело. Ассортимент имплантов растет, а значит, все актуальнее проблема энергоснабжения внутри организма. Новым источником энергии вполне могут стать сокращение сердца, колебание легких и диафрагмы, электрический потенциал внутреннего уха, глюкоза крови и молочная кислота пота.
Центральный вокзал Стокгольма уже не первый год отапливается энергией, вырабатываемой его посетителями
Исследования продолжаются, а вот победного шествия человека-батарейки по планете наука все никак не дождется. Причина, по мнению экспертов, в ничтожно низком КПД отдельно взятого тела, гораздо эффективнее работают большие скопления людей. Давно известно, что посетители центрального вокзала в Стокгольме помогают отапливать 13-этажное офисное здание по соседству. В вентиляционной системе вокзала тепло тел пассажиров трансформируется в горячую воду, расходы на отопление в итоге сократились на 25%. В Париже социальное жилье, расположенное над станцией метро, тоже отапливается за счет естественного тепла пассажиров. Подобные системы «пассивного» обогрева нередко применяются и в других странах для поддержания температуры в офисах, торговых центрах и жилых домах.
Тело поможет
Новые технологии нацелены на использование естественного тепла человека. Но как формируется и от чего зависит температура тела? Хватит ли нам энергии, если мы начнем расходовать личный ресурс на гаджеты и отопление? Благодаря терморегуляции человек способен поддерживать постоянную температуру тела, теплоотдача зависит от условий окружающей среды. Однако наша температура непостоянна в течение суток. Утром она в среднем на градус ниже, чем в вечернее время. За температурный режим в организме отвечают в первую очередь гипоталамус, щитовидная железа и надпочечники, при необходимости обмен веществ усиливается и «повышает градус».
Температура тела может измениться при стрессе, физической и умственной нагрузке, вторжении инфекций и даже в результате самовнушения. На коже рук и ног самая низкая температура тела– от 30 до 34 градусов. С возрастом обменные процессы замедляются, что тоже снижает показатели на градуснике. Однако в целом за сутки организм, согласно школьным учебникам, вырабатывает столько тепла, что можно было бы вскипятить 33 литра ледяной воды. Большая часть энергии, безусловно, расходуется на поддержание самого организма, но «излишки» точно заслуживают лучшего применения.
Фантастика как предчувствие
Кадр из кинофильма «Матрица» отлично иллюстрирует самые радикальные идеи фантастов о роли человека в будущем
Писатели-фантасты и режиссеры фантастических фильмов не раз обращались к теме трансформации энергии человека. Классикой жанра можно назвать культовый американский блокбастер «Матрица» 1999 года, созданный братьями Ларри и Энди Вачовски. Главный герой картины, хакер по кличке Нео, однажды узнает, что вся его жизнь лишь виртуальная игра, а он сам, как и все люди на Земле, только источник энергии для компьютерных систем. Еще раньше, в 1996 году, в рассказе ирландской писательницы Дианы Дуэйн «Не трогай эту гадость!» героиня стала свидетелем аварии корабля пришельцев. Оказалось, что энергию для космического транспорта вырабатывают сами пассажиры.
В 2007 году опубликован роман «Ойкумена» украинских писателей Дмитрия Громова и Олега Ладыженского, работающих под псевдонимом Генри Лайон Олди. Четыре основные расы людей-энергетов научились накапливать и использовать внутреннюю энергию в любых механизмах вплоть до реакторов космических кораблей. А те, кто не вырабатывает энергию сам, превращает других людей в рабов, чтобы задействовать чужую жизненную силу.
Но, пожалуй, самая примитивная технология использования энергии человека упоминается в повести американского писателя Джека Вэнса «Сын Дерева», увидевшей свет в 1951 году. На фантастической планете Кайрил угнетенные рабы-лайти на генераторах с ручным приводом вырабатывают энергию для освещения дворца касты друидов, поклоняющихся Дереву жизни.
В общем, варианты использования человеческой энергии возможны самые разные. Осталось только науке превратить идеи фантастов в технологическую реальность.
Данила Медведев,
кандидат экономических наук, футуролог, один из создателей Российского трансгуманистического движения:
Еще 20 лет назад во многих странах возникла концепция использования медицинских нанороботов, которые могли бы взять на себя отдельные функции организма и клеточный ремонт. Если бы это направление развивалось, потребовалась бы и биологическая энергия человека: глюкоза, аденозинтрифосфорная кислота, температурный дифференциал и электрические импульсы внутри тела. Подвижки в области наномедицины есть, но человечество, по сути, на стадии каменного века в развитии нанотехнологий. Гипотетически человек мог бы стать источником энергии для многих устройств, но на практике ничего глобального в этом направлении не создается. Интерес к «умной» одежде снизился, разработчикам и производителям непонятно, как это использовать, без конкретной концепции рынок новый продукт отторгает. Разрабатывая новое решение, нужно понимать, с чем его соединить в дальнейшем. Сейчас каждая научная группа работает в изоляции. Если бы первый космический корабль запускали в наше время, а все проекты реализовывались как набор не связанных между собой научных работ, мы вряд ли бы полетели в космос.
Алексей Кононов,
кандидат технических наук, эксперт РАН:
33 литра воды можно вскипятить благодаря энергии, вырабатываемой человеком за день
Полагаю, что идея, безусловно, интересна, но требует проведения дополнительных обширных исследований, особенно в части комфортности и безопасности возможных решений для здоровья человека. Большие перспективы применения можно ожидать при использовании в удаленных от постоянных источников тока местах геологами, путешественниками, туристами или космонавтами. Что касается влияния на общее энергопотребление, принципиально такие разработки на него не повлияют. Оно вряд ли превысит масштабы энергопотребления небольших устройств, которые человек обычно носит с собой.
Сергей Баженов,
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН:
Речь идет о термоэлектродвижущей силе, причем авторы заявляют не о создании изделия, а о разработке материала. Максимальная электродвижущая сила достигается на полупроводниковых материалах, электропроводящие полимеры и углеродные трубки по проводимости им соответствуют. На этом эффекте реально работают полупроводниковые источники тока в космических кораблях за пределами Земли, так что исследование вполне обоснованное. Но стоит иметь в виду, что это именно разработка материала с высоким коэффициентом термоэлектродвижущей силы. Все разговоры о гаджетах, работающих на этом принципе, пока не более чем разговоры. Сразу возникает вопрос: как поддерживать определенную разницу температур? Кроме того, мне бы, например, не хотелось носить на руке часы, которые всегда холодные.
Антон Первушин,
писатель, исследователь истории научной фантастики:
Если говорить не о фантастике, которая часто пренебрегает научно-технической достоверностью, то футурологи довольно скептически оценивают перспективы прямой биоэнергетики. Коэффициент полезного действия человеческого тела, как и любого живого организма, чрезвычайно низок в сравнении с любой другой энергосистемой. При этом огромную часть энергии, получаемой из продуктов питания за счет химических превращений, мы тратим на поддержание постоянной температуры, на мускульные усилия, на работу органов. Фактически та энергия, которую мы излучаем в пространство, – жалкие остатки от произведенной организмом работы. Конечно, и эту энергию можно как-то использовать, например, поставить термоэлектрический преобразователь, который будет давать небольшой ток за счет разницы температур тела и окружающей среды. Но при этом мы сами привыкли жить в тепле, поэтому разница потенциалов будет не слишком велика.
Можно использовать энергию мускульных усилий, но тогда мы будем быстрее уставать и потреблять больше пищи, что опять же неэффективно и невыгодно. Плащ из гибких фотоэлектрических преобразователей произведет намного больше энергии, чем все человеческое тело, при этом не будет стеснять движения и раздражать кожу. Могу уверенно заявить: прямая биоэнергетика, основанная на ресурсах тела, никогда не будет массовой, она станет игрушкой для гиков. Вполне допускаю, что, если технология преобразования энергии тела в электричество войдет в массовое производство и подешевеет, на нее возникнет мода, появится множество гаджетов с преобразователями. Но спрос быстро спадет, когда потребители убедятся, что устройства такого рода малоэффективны, капризны и требуют повышенного внимания владельца.
Владимир Кишинец,
инженер-электронщик, кандидат философских наук, координатор российской Ассоциации футурологов:
Проблема использования энергии человека не футурологическая, а чисто техническая, и дело, как всегда, в деталях. Энергопотребление смартфона и то, что можно снять с человека с помощью любых технологий, пока что несоизмеримые величины. Если оклеить датчиками все тело человека, можно получить больше энергии, но вряд ли мы согласимся носить специальную одежду, чтобы просто разговаривать по телефону. Более того, все зависит от разницы температуры тела и окружающей среды. Получается, что в жаркую погоду мы практически ничего не получим. С гораздо большей эффективностью можно носить на голове шляпу с фотоэлементами, чтобы заряжали смартфон от солнечного света. О питании вживленных в тело датчиков еще можно будет говорить в перспективе, применять энергию человека для более энергоемких устройств просто физика не позволяет. А новые термоэлектрические материалы будут полезны, например, в походе у костра, можно согреваться и одновременно получать энергию для приборов.
