Человеческий организм – по сути своей биологическая машина, перерабатывающая органические соединения в процессе своей жизнедеятельности. Потребляемая пища раскладывается на более простые вещества, часть которых (белки, аминокислоты) используется как «строительный материал» для тела, а еще часть (углеводы) служит «топливом».
Человек за день потребляет количество еды, содержащее в себе примерно от 1500 до 5000 ккал энергии, а то и больше. Нормой считается 2500-3000 ккал, что в переводе на киловатт-часы равно 2,9-3,5 кВтч. Для сравнения, емкость батареи iPhone X равна 10,3 Втч. То есть, за день человек нуждается в количестве энергии, достаточной для того, чтобы зарядить около трех сотен Айфонов, или почти ежедневно заряжать один на протяжении года.
Не вся энергия, потребленная организмом, полностью задействуется им, так как КПД нашего тела ниже 100%. Значительная ее часть выделяется в виде тепла. В состоянии покоя тело выделяет в атмосферу примерно столько же энергии, сколько и одна «лампочка Ильича».
Больше любопытного про технологии на hype.ru
При физических нагрузках количество энергии увеличивается, так как в организме активно протекают химические реакции, необходимые для работы мышц, а сами мышцы производят механическую работу. Работа эта тоже имеет КПД далеко не 100%, часть кинетической энергии тратится впустую.
Как можно понять исходя из цифр, в теле скрыт поистине огромный энергетический потенциал. Стоит взять хотя бы десятую долю энергии организма – и это решит навсегда проблему зарядки портативной электроники. Но реально ли обратить ту часть энергии тела, что тратится впустую, себе на пользу? Сейчас попробуем разобраться…
Механическая энергия: все уже придумано
Начать стоит с того, что люди уже давно придумали, как использовать часть механической энергии тела. Сотню лет существуют наручные часы с автоподзаводом, не нуждающиеся в ежедневном закручивании пружинки. Их механизм содержит маховик, совершающий колебания при движении руки. Он связан с пружиной, поэтому при колебаниях подтягивает ее. В итоге часы приходится заводить вручную только после длительного бездействия, остальное время это происходит как бы само по себе.
Автоподзавод часов – штука хорошая, но и энергии на него тратится совсем мало. Ее явно недостаточно для чего-то более крупного и требовательного. Нас же интересует возможность получать от тела намного больше полезной энергии. А это уже гораздо сложнее.
Большой маховик на человека не повесишь, он будет приносить дискомфорт. Да и энергию такой маховик будет задействовать не ту, что тратится впустую, а требовать дополнительных затрат. Нацеплять везде маленьких механизмов (на руки, ноги, торс и т.д.) – тоже не вариант. Это и дискомфорт, и лишняя тяжесть, и потребность в миниатюрных генераторах, преобразующих механическую энергию в электрическую. В общем, пока что задействовать излишки механической энергии движения тела проблематично.
Единственным реальным источником «халявной» энергии является ходьба. Этот режим передвижения весьма малоэффективен с энергетической точки зрения, имеет низкий КПД. Чтобы убедиться в этом, сравните, сколько человек преодолеет за час пешком, а сколько – на велосипеде, затратив при этом примерно столько же (а то и меньше) энергии.
При ходьбе много энергии выделяется при касании ступней земли и переносе массы тела на нее. Двигаясь с умеренной скоростью, человек за минуту совершает около 120 шагов. В момент касания земли он осуществляет давление на нее, совершается механическая работа.
А теперь вспоминаем карманные зажигалки с искрообразованием от пьезоэлектрического элемента. Нажимая кнопку, человек сжимает пьезоэлемент, от чего тот выделяет электроэнергию, и возникает пробой искры, поджигающей газ. Однако энергии выделяется мало, если щелкать зажигалку раз в полсекунды (частота шагов), в среднем выйдет около 0,5 мВт (милливатт). Маловато, но все же можно попробовать посчитать дальше.
Площадь пьезоэлемента зажигалки – примерно 0,25 см², значит в 1 см² можно разместить 4 таких устройства. Площадь подошвы обуви – около 150 см², итого около 600 элементов можно поместить в подошву. Их нажатие даст около 300 мВт или 0,3 Вт. То есть, за час ходьбы будет выработано 0,3 Втч энергии.
0,3 Втч – маловато, даже без учета следующего нюанса: для активации пьезоэлемента зажигалки требуется усилие около 3 кг. 600 элементов потребуют усилия, создаваемого массой 1800 кг. Человек при ходьбе создает усилие всего около 120% от своей массы. При массе тела 70 кг это порядка 85 кг. Этого хватит лишь для активации 28 элементов, а 28×0,5=14 мВт, за час ходьбы будет выработано всего 0,014 Втч энергии, что совсем ничтожно.
Можно сделать вывод, что пока механическую энергию тела преобразовать в электрическую, не создавая неудобств для человека, проблематично. Оснастить обувь пьезоэлементами – реально, но снять с нее мощность, достаточную для удовлетворения базовых потребностей человека – нет.
Электричество из тепла
Тело человека выделяет в окружающую среду порядка 100 Вт тепловой энергии. Преобразовать ее в электрическую можно, используя эффект Зеебека: возникновения электродвижущей силы в термоэлектрических материалах, части которых находятся под действием разных температур. Разместив на теле пластину, которая другой стороной контактирует с окружающей средой, можно вырабатывать электричество за счет разницы температур.
Чем больше разница температур – тем выше вырабатываемая мощность, поэтому такие генераторы (элементы Зеебека) особенно эффективны зимой на улице. Но есть ряд проблем.
КПД современных термоэлектрических материалов не превышает 10%, то есть из 100 Вт тепла будет выработано до 10 Вт электроэнергии. 10 Вт – это неплохо, ведь за час-два ношения элемента можно полностью зарядить смартфон. Но в таком случае понадобится покрыть 100% тела термоэлектрическим материалом. Естественно, это невозможно.
Выходом из ситуации может стать одежда, пошитая из термоэлектрической ткани, но такой пока нет. Существующие технологии позволяют производить только твердые или гибкие термоэлектрические пластины, непригодные для такого использования. Их максимум – это получать сотые или десятые доли ватта, будучи использованными в мелкой носимой электронике (например, смарт-часах и фитнесс-трекерах).
В будущем не исключено появление термоэлектрических материалов пригодных для производства некоего подобия ткани, но ее применение будет ограниченным. Ведь летом в штанах и куртке особо не походишь, потому что жарко, а зимой такая одежда не будет в достаточной мере удерживать тепло из-за слабых теплоизоляционных свойств термоэлектрического материала. Если же носить куртку из такой ткани поверх футболки, свитера, а на ноги одевать подштанники – КПД термоэлектроткани упадет из-за меньшей разности температур.
Заключение
Расчеты показывают, что превращать механическую энергию тела в электрическую можно. Технология вовсе не нова, в ней нет ничего фантастического. Однако если использовать лишь ту энергию, что тратится впустую, то много электричества выработать не выйдет. Поэтому использование тела в качестве серьезного источника электрической энергии из кинетической станет реальным только при открытии новых, на порядки более эффективных, материалов с пьезоэлектрическим эффектом.
С теплом все немного лучше. Вырабатывать электричество из него ученые уже научились, КПД современных термоэлектрических элементов невысокий, но допустимый. Проблема в том, что эти элементы недостаточно гибкие и универсальные, чтобы эффективно их использовать. Пока что максимум, на что способны элементы Зеебека – питание мелкой носимой электроники, вроде «умных» часов.
В будущем теоретически реально создание гибких листовых термоэлектрических материалов, пригодных для использования в одежде. Куртка и штаны, пошитые из такой ткани, смогут вырабатывать несколько ватт энергии, достаточные для зарядки смартфона и более мелкой носимой электроники. Получить больше электроэнергии от тела на практике, скорее всего, не получится никогда.
Больше любопытного про технологии на hype.ru
