Тело человека — источник энергии. Есть шесть гуманных способов получить из него электричество
Ваше тело постоянно генерирует энергию: пока вы тренируетесь, потеете, работаете за компьютером, плачете из-за работы за компьютером или фильма про верного пса, гуляете с псом или без него и даже спите. Современная наука утверждает, что все это можно делать с двойной пользой, и предлагает ряд инновационных решений. Выясняем, насколько мир готов перейти на энергию, генерируемую человеческим телом.
Жара и холод
Наши тела поддерживают постоянную температуру 36,6 градуса — это оптимальный показатель для протекания химических реакций в организме. Чаще всего температура внутри человека отличается от температуры окружающей среды, и процессы генерации и отдачи тепла в теле регулируются. Примерно 75% производимой тепловой энергии рассеивается через кожу без пользы для человека.
Произвести электричество из тепла можно с помощью термоэлектрических генераторов. Такие устройства используют разницу температур между поверхностью кожи и окружающей средой: при этом не важно, где вы находитесь: в пустыне или на Северном полюсе. Чем больше абсолютная разница температур, тем больше электроэнергии вырабатывается — этот принцип называется эффектом Зеебека: если два провода из разных материалов замкнуть в электрический контур, а в местах соединения проводов поддерживать разную температуру, по этому контуру потечет электрический ток.
Мощность, с которой человеческое тело в состоянии покоя вырабатывает тепло, — около 80–100 ватт — это мощность примерно 12 светодиодных лампочек. При занятиях спортом выделение тепла усиливается, продолжается оно даже во сне, пусть и с меньшей мощностью — 60–80 ватт. Пока вы спите, браслет с термоэлектрическим генератором на запястье может преобразовать до 4,5% вашей тепловой энергии в электричество и накопить достаточно для зарядки смартфона. Будь такое устройство на руке у каждого из нас в течение 8 часов каждый день, тепло, вырабатываемое восьмью миллиардами жителей Земли, могло бы обеспечить до 25% потребляемой в мире электроэнергии.
Николай Киселев
ведущий специалист инжинирингового центра Российского экономического университета
В устройствах, основанных на термоэлектрохимических ячейках, как и у любых батареек или конденсаторов, есть электролит и электроды. Правда, КПД таких устройств пока не превышает нескольких процентов.
Вместо антиперсперанта — гидрогель и биотопливный элемент
Пот — это не просто соленая вода. В небольших количествах в нем присутствует лактат — продукт метаболизма, который при физических нагрузках выделяется из молочной кислоты в скелетных мышцах, затем попадает в кровь, органы и другие мышцы, где используется для накопления энергии.
Чтобы применить лактат для генерации электричества, ученые создали биотопливные элементы на основе углеродных нанотрубок. Устройство напоминает лейкопластырь с электродами, на поверхности которых — окисляющие ферменты. Электрохимические реакции между ферментами и лактатом в составе пота ведут к генерации электрического тока. Концентрация лактата в поте повышается при физических нагрузках, поэтому электроэнергию лучше запасать во время тренировок. Выходной мощности должно хватить для питания небольшой техники — наушников, электронных часов, фитнес-браслетов.
Во время отдыха тело человека тоже может побыть «электростанцией». Используя технологию окисления лактата, ученые создали маленькие пластины с гидрогелем и биотопливным элементом. Пластины крепятся на подушечки пальцев, где находится самая высокая концентрация потовых желез в человеческом теле. Скорость потоотделения на пальце достигает нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту — в 2–3 раза быстрее, чем на других участках тела. Произведенной за восемь часов работы устройства энергии хватит, чтобы зарядить наручные часы.
Слезы, пролитые не напрасно
В слезах и слюне содержится лизоцим — фермент, который помогает разрушать стенки бактериальных клеток. Еще в 1965 году, до открытия пенициллина, Александр Флеминг исследовал потенциал этого белка в качестве антибиотика. В 2018 году лизоцим начали использовать для получения электричества. Для этого из кристаллов лизоцима создали пленку и зажали ее между двумя стеклами. Эффект, когда ток возникает при механическом воздействии на твердое тело, называется пьезоэлектрическим.
Лицозим — первый белок, используя который получили пьезоэлектричество. По эффективности кристаллы лицозима не уступают кристаллам кварца — известного пьезоэлектрика. Но, в отличие от минерала, лизоцим — биологический материал с противомикробными свойствами, и его можно использовать для биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы.
В слезах есть и другие электрически перспективные вещества: глюкоза, молочная и аскорбиновая кислоты. Научный коллектив из России и других стран использовал эти соединения как топливо для умных контактных линз. В них встроены электрические сенсоры, измеряющие уровень сахара в организме. Для подпитки сенсоров ученые создали биотопливный элемент, который конвертирует аскорбат и кислород в энергию.
Сергей Шлеев
доктор химических наук
Мощность электрохимической ячейки очень мала — исходя из концентрации аскорбата и скорости слезотечения, она может составлять до 22,1 микроватта. Но этого достаточно для питания микро-датчика, особенно если увеличить размеры электродов, задействовав обе стороны линзы.
Электрическое сердце
Сердце окружено электромагнитным полем. Каждое сокращение мышечной ткани вызывает электрический импульс, который и фиксируют электрокардиограммы. Если ритм и скорость биения сердца нарушаются, это можно скорректировать имплантацией кардиостимулятора, который регулирует импульсы. Такое устройство состоит из микросхемы и аккумулятора, последний приходится заменять каждые 5–10 лет.
Бессрочным источником энергии может стать само сердце. Чип из наноразмерных слоев цирконата-титаната свинца — пьезоэлектрического материала — вживляется в сердце. С каждым его ударом вырабатывается электричество и накапливается в небольшой батарее. Опыты на крупных животных показали, что организм не отторгает чип.
«ГЭС» через кровоток
Кровь непрерывно движется по организму, проходя через капилляры, артерии и вены подобно реке с ее порогами и притоками. Если с помощью плотин люди конвертируют энергию падающей воды в электричество, то почему бы не установить миниатюрную «гидроэлектростанцию» в сосудах?
Модель подобной «плотины» разработали из волокон на основе углеродных нанотрубок. В экспериментах ее прикрепляли к электродам и погружали в раствор, имитирующий кровоток. При движении жидкости волокна помогали вырабатывать электричество подобно речным гидроэлектростанциям.
Энергия, которую можно услышать
Во внутреннем ухе млекопитающих находится естественный аккумулятор — ушная улитка, где генерируются крошечные электрические напряжения — 80–100 милливольт. Это эндокохлеарный потенциал, который обеспечивает работу волосковых клеток, воспринимающих звуки. Далее механическая энергия звуковых волн преобразуется в электрические импульсы, посылаемые в слуховой нерв мозга.
Для сбора электрической энергии разработали чип размером с ноготь. Его протестировали на внутреннем ухе морской свинки: мощность чипа составила около одного нановатта (одна миллиардная часть ватта) — это в миллион раз меньше, чем нужно для питания электронного имплантата, но работы по увеличению мощности продолжаются.
Использовать человеческие тела для электроснабжения городов пока не научились. Сначала, по мнению ученых, появятся самопитающиеся имплантаты и кардиостимуляторы: их энергетические запросы невелики. На клинические испытания и разрешение испытаний на живых людях потребуются годы. Энергоемкие устройства, накапливающие электричество от пота или тепла, еще долго будут слишком дорогими, чтобы обрести массовую популярность. Пока новая эра гибкой электроники не наступила, более 60% электроэнергии люди будут получать из ископаемого топлива, а хранить ее помогут привычные аккумуляторы и батарейки.
