Живые батарейки: можно ли заряжать гаджеты своим телом, как в «Чёрном зеркале»
Представьте себе мир, где каждое ваше движение превращается в электричество. Буквально: вы крутите педали — и этим питаете всю окружающую инфраструктуру. Это сюжет «15 миллионов заслуг» — второго эпизода первого сезона «Чёрного зеркала». В мрачном антиутопическом будущем люди живут в закрытой цифровой системе и почти всё время проводят на велотренажёрах. За это они получают «заслуги» — виртуальные баллы, которые можно тратить на еду, развлечения или даже попытку выбраться.
Звучит как фантастика, но идея не такая уж дикая. Ведь наше тело действительно энергию: мы двигаемся, производим тепло, сжигаем калории. И в мире, где всё активнее ищут новые источники энергии, возникает вполне серьёзный вопрос: можно ли использовать это на практике? Например, чтобы питать здания, технику или хотя бы собственные гаджеты? И если можно — насколько это реально и эффективно? Давайте разберёмся.
Почему мы не питаем здания «человеческой» энергией
Если бы кто-то всерьёз решил воплотить сюжет «Чёрного зеркала» в жизнь — он столкнулся бы с большими ограничениями.
Начнём с того, сколько энергии может дать человек. В среднем один взрослый способен примерно 100 ватт. Хорошо натренированные спортсмены, например профессиональные велогонщики, кратковременно выдавать до 400 ватт и даже больше. Но это очень мало.
Сравним эти показатели с тем, сколько энергии нужно обычному жилищу. В США, например, средний частный дом около 900 киловатт-часов в месяц — это примерно 30 киловатт-часов в сутки. То есть, чтобы покрыть эти потребности, нужно как минимум 10–20 человек, которые крутят педали без остановки весь день.
В сериале так и было — но именно с этой несправедливой эксплуатацией и боролись герои. В реальности подобное представить тяжело.
Есть и другие нюансы. Наши мышцы далеко не так эффективны, как электродвигатели. Только 20–30 % потреблённой энергии в полезную работу — всё остальное уходит в тепло. То есть, чтобы «выжать» 100 ватт, организму нужно затратить в 4–5 раз больше.
И наконец, деньги. Оборудование, которое превращает движение в электричество, недёшево. Его установка и обслуживание тоже требуют вложений. В реальности окупается это всё слишком медленно.
Проще говоря, даже если десяток человек будет крутить педали весь день, они не смогут обеспечить энергией обычный дом. Это и физически тяжело, и экономически невыгодно.
Где тело всё-таки может быть полезным источником энергии
Несмотря на то, что мы не сможем питать дома человеческой энергией, существуют сценарии, где тело действительно используется как источник электричества — пусть и на совсем небольшом уровне. Вот три самых интересных направления.
Генерация энергии от движений
Представьте, что каждый ваш шаг — как лёгкий удар по мини-генератору. Именно на этом основаны технологии, превращающие механическую энергию движения в электрическую.
Яркий пример — напольная от компании Pavegen, придуманная в 2009 году. Внутри скрыт маховик и система катушек с магнитами: когда кто-то наступает, создаётся электромагнитное поле, которое и генерирует ток. Один шаг даёт чуть меньше ватта — достаточно, чтобы ненадолго зажечь маленький светодиод.
Это немного: даже если 10 человек будут прыгать на плитке одновременно, хватит разве что на лампочку или уличный датчик.
Тем не менее такие технологии уже используют в местах с большим пешеходным трафиком — например, на фестивалях или в аэропортах.
Другой — пьезоэлектрические полы. Они содержат специальные кристаллы, чаще всего PZT-керамику, которые под давлением создают напряжение. Это та же физика, что в зажигалках с кнопкой: щёлк — и возникает искра. Только тут вместо искры — микроскопический ток. В лабораторных испытаниях шаг по такому полу может дать около 35 милливатт — тоже совсем немного, но достаточно, чтобы, например, активировать систему освещения на короткое время или включить сенсор.
Правда, эти технологии пока в основном демонстрационные или применяются для датчиков движения, а не для питания чего-то серьёзного.
Генерация энергии от тепла тела
Между температурой нашего тела и температурой воздуха есть разница в несколько градусов, которую можно превратить в электричество. На этом принципе термоэлектрогенераторы, или ТЭГ.
Первые коммерческие гаджеты с такими устройствами появились в конце 1990‑х. Это были наручные часы и . Для работы кварцевого механизма хватало совсем немного энергии — 22–25 микроватт.
Кроме того, не так давно китайские инженеры гибкие ТЭГ-модули, которые можно вшить в одежду и заставить, например, включить светодиод от тепла кожи. Исследователи предполагают, что в дальнейшем можно будет таким образом подзаряжать мелкие носимые устройства — например, фитнес-браслеты.
Главная всех ТЭГ — очень низкая мощность. Даже если обмотать человека термогенераторами с головы до ног, вряд ли на выходе получится больше пары сотен микроватт. Для сравнения: зарядка смартфона 3–7 ватт, то есть в десятки тысяч раз больше. Поэтому термогенераторы сегодня — не способ снабдить энергией дом, а, скорее, решение для автономной миниатюрной электроники.
Генерация энергии от сердцебиения
Учёные из Университета Вашингтона , как продлить срок службы беспроводных кардиостимуляторов, используя само сердце как источник энергии. Они гибкий рукав из пьезоэлектрического полимера (PVDF), который надевается на кардиостимулятор и собирает энергию от пульса — то есть от колебаний давления крови в сердце.
При каждом ударе сердца материал слегка сжимается и вырабатывает электричество, позволяя частично подзаряжать устройство.
Раньше устройства располагали снаружи сердца, что требовало повторной открытой операции, — здесь же вся система сразу помещается внутрь. Благодаря этому процедура установки кардиостимулятора не усложняется. Материал безопасен, гибок и прочен, а сам рукав сконструирован так, чтобы максимально эффективно деформироваться при каждом сердечном сокращении.
Исследования пока продолжаются: учёные тестируют новые прототипы и планируют клинические испытания на животных. Их цель — создать устойчивое устройство, которое позволит кардиостимулятору надёжно и долго работать за счёт сердцебиения.
Что в итоге
Человеческое тело действительно вырабатывает энергию — в виде тепла, движений, давления. И современные технологии умеют эту энергию собирать. Но реальность далека от «Чёрного зеркала»: мощности, которые можно получить от тела, слишком малы, чтобы питать хоть что-то крупнее браслета или лампочки.
Зато в миниатюрной электронике — например, в медицине или носимых гаджетах — такие решения вполне работают. Шаги могут зажечь светодиоды, а сердце — подзарядить кардиостимулятор. Мы вряд ли когда-нибудь будем крутить педали ради оплаты ужина, но сделать технику чуть автономнее с помощью собственной энергии — задача вполне реальная.