Мир вокруг нас буквально кипит энергией. Современные физики находят энергию даже в...вакууме.
Технологии, которые добывают энергию буквально из воздуха, существуют уже сейчас. Давайте разберем, как они работают. И почему мы все еще добываем топливо и платим за электричество, хотя, казалось бы, вся энергия у нас уже есть под рукой. Энергия из воздуха: как новые технологии извлекают электричество из окружающей среды в целом и из воздуха в частности.
Энергия вокруг нас
В этот момент, когда вы читаете статью, через ваше тело проходит энергия. Электромагнитные поля, тепло от стен, вибрации от окружающего мира, и даже влажность в воздухе - всё это потенциальные источники питания.
Ведь это - энергия! Электромагнитные волны, тепловое движение молекул - во всем этом есть энергия. Важно просто научиться ее использовать, что, безусловно, трудно.
И учёные уже научились собирать эту рассеянную энергию и питать гаджеты. Без батареек. Без проводов. Без «осталось 2%».
Есть рабочие технологии, которые уже находят применение в медицине, развитии городов и промышленности.
Современная квартира - это не просто уютное место (пока писал эту шаблонную фразу, понял, что она звучит, как реклама бытовых приборов или агентства недвижимости:)).
Сейчас квартира - это настоящий склад рассеянной энергии. В ней постоянно есть:
- радиоволны от мобильной связи и бытовой техники,
- тепловые перепады. Бытовая техника греется. Да даже вы нагреваете воздух своим телом - это чистая энергия, которая уходит в никуда!
- вибрации от шагов, работающей техники и транспорта,
- молекулы воды в воздухе,
- слабые электромагнитные поля от проводки и устройств.
По оценке инженеров из Массачусетского технологического института, в типичной городской квартире плотность радиосигналов достигает уровней, позволяющих питать небольшие сенсоры. Вопрос только в том, как эту энергию «поймать».
Давайте посмотрим, какие есть технологии для этого.
Энергия из радиоволн: ректенны и RF harvesting
Представьте, в мире есть устройство, которое ловит окружающие радиоволны и преобразует в энергию. И эту энергию из окружающего мира можно использовать для подзарядки мелкой электроники.
Такое устройство называется ректенна — антенна с выпрямителем.
Ещё в 60-х годах инженер Уильям Браун продемонстрировал передачу энергии по воздуху: лампочка зажглась от микроволн. Сегодня ректенны используются для питания кнопок в умных домах, логистических трекеров и миниатюрных сенсоров.
И да, в некоторых странах уже есть датчики на складах, которые получают питание просто от присутствия в зоне действия сети. Не удивляйтесь, если через пару лет к вам придёт чайник без вилки.
Тепловые градиенты как источник постоянной энергии
Ваше тело теплее окружающей среды. И это потенциальный источник энергии. Термоэлектрические генераторы используют этот температурный перепад, чтобы вырабатывать ток.
Когда два разных материала соединены между собой и их контакты находятся на разных температурах, между ними возникает электрическое напряжение. Это явление называется термоэлектрическим эффектом Зеебека.
Электроны в нагретом материале имеют больше энергии и стремятся переместиться к холодному участку. Возникает разность потенциалов на контактах.
Поэтому если два материала нагреваются по-разному - мы можем получить ток!
Такие генераторы уже используются для питания датчиков, но и в мобильной электронике они чувствуют себя вполне уверенно. Работают они долго, надёжно, и не требуют регулярной подзарядки.
Влажность воздуха
Американская команда инженеров из Университета Массачусетса в Амхерсте разработала технологию Air-gen - генератор, который получает ток за счет влажности воздуха.
Принцип такой: движение молекул воды через нанопоры создаёт разность потенциалов. Вроде бы всё просто, но в лабораториях над этим бьются уже десятки лет. Уже сегодня маленькие панели выдают до 1,5 В. А в будущем будет реализовано питание бытовых приборов от воздуха.
То есть, как говорят физики, «водяной пар в комнате - это не просто духота, это недозревшая розетка».
Вибрации и движение
Пьезоэлектрические материалы вырабатывают ток при механическом воздействии. Прогнулись, сжались и готово. На практике это значит, что каждый шаг, поворот руки или вибрация машины - это шанс сгенерировать электричество.
В Мурманске, Чите и Петропавловске-Камчатском есть специальная плитка (Собянина на них не хватает!).
Плитка преобразует энергию шагов в электричество. Энергия, которую получают из шагов, используется для освещения, питания информационных табло и зарядки гаджетов на остановках.
МИЭТ сделал гибкий термоэлектрический генератор. Южный федеральный университет - пьезоэлектрический модуль.
Пьезоэлектрические плитки, установленные на улицах Лондона, Парижа и Вашингтона, преобразуют энергию шагов в электричество. Одна плитка способна генерировать до 5 Вт при интенсивном движении.
Такие технологии также используются в медицинских сенсорах, браслетах и даже покрытиях тротуаров. Ходите и заряжайте систему. Согласитесь, неплохой повод начать больше гулять.
Космическое излучение: неисчерпаемый источник
Частицы, прилетающие из космоса, обладают колоссальной энергией. Если бы не атмосфера Земли и не магнитное поле планеты - эта энергия уничтожила бы всё живое.
Поэтому на Земле плотность потока слишком мала. А вот в космосе другое дело. Учёные уже разрабатывают устройства, которые смогут собирать такую энергию на орбите. Это фантастический запас энергии!
Реальные устройства без батареек
Приведу примеры интересных гаджетов, которые способны работать без подзарядки, используя энергию окружающей среды.
Ambient Photonics: свет в помещении как розетка
Компания Ambient Photonics разработала солнечные элементы, работающие при комнатном освещении. Их уже ставят в пульты, клавиатуры, электронные метки.
«Наши элементы работают даже при свете свечи», — говорят в компании.
Everactive: сенсоры, которые не садятся
Американский стартап создал датчики, которые работают за счёт окружающей среды. Без подзарядки и без замены батареек. Всё благодаря комбинации света, вибраций и тепла.
«Это выход для промышленности, где замена батареек - это настоящий ад калибровки и обслуживания» - говорит инженер компании Ричард Стивенсон.
Samsung: зарядка от воздуха
Samsung выпускает пульты, которые заряжаются от света и радиоволн. В буквальном смысле — лежат на столе и заряжаются. Можно забыть про батарейки.
Сенсор, который просто работает
Инженеры из Массачусетского технологического института создали сенсор, питающийся от магнитного поля провода. Просто прищепка на кабеле — и он работает годами. Без батареек.
В Японии и Израиле пьезоэлектрические генераторы устанавливаются под рельсы и дорожное полотно. Энергия от поездов и автомобилей накапливается и идет на питание освещения дорожных знаков, сенсоров мониторинга, табло и т д.
Почему вы до сих пор заряжаете смартфон
Если всё так красиво, почему мир до сих пор на батарейках? Что тормозит запуск новой технологии получения энергии из воздуха? Ведь дешевая энергия "из ничего" - это, как следствие и дешевые товары. Все вокруг должно стать доступнее. Но мы этого не наблюдаем.
Пока есть ряд препятствий для распространения технологии:
- Мощность пока мала: хватит на датчик, но не на утюг.
- Дорого: наноматериалы не продаются на Авито (хотя, кто знает - я туда давно не заходил). А они пока составляют основу подобных устройств. Со временем наноматериалы будут дешеветь и технологии станут доступнее.
- Надёжность хромает: традиционная батарейка предсказуемы.
Но, вспомните, когда-то ровно такие же аргументы были против парового двигателя! И материалы - дорогие, и мощность мала и лошадь вообще все делает лучше и надежнее!
Что будет в 2035 году
Представьте: умный город, где миллионы датчиков работают без подзарядки. Медицина, в которой имплантаты питаются от сердцебиения. Дом, в котором выключатель и лампы живут своей жизнью, не вспоминая про батарейки.
Фантастика? Нет. Просто немножко терпения и технического прогресса.
А теперь — ложка дёгтя. Кто будет владеть этой энергией? Можно ли собирать «чужие» радиоволны? Что будет, если соседи начнут воровать «ваш» эфир?
Это звучит как сценарий сериала, но такие вопросы уже обсуждаются на конференциях. И, похоже, воздух - это наша будущая нефть.
Экономисты шутят: Воздух - это новая нефть. То есть скоро за глубокий вдох на улице будут собирать налоги.
Пока вы читали, через вас прошло достаточно энергии, чтобы включить лампочку. Не включили? Что ж, осталось подождать каких-то 10 лет.