10 февраля 2009 г.

Получение электричества из человека

Вырабатывать электричество из человека очень просто. Для этого вовсе не требуется "высасывать из него жизненные соки", как это делается в "Матрице", а достаточно просто покрутить ручку динамомашины. Существуют даже специальные девайсы, например, радио с ручной подзарядкой: покрутил минуту -- слушаешь радио.

У этих методов есть два недостатка. Как правило, приходится делать действия специально для вырабатывания электроэнергии, а также при этом затрачиваются заметные усилия. Поэтому хотелось бы придумать устройство, которое генерировало бы электричество "в фоновом режиме" и при этом почти не ощущалось бы.

Вот пара недавних достижений в этом направлении, опубликованные почему-то в научных журналах.


Насадка на ноги для извлечения энергии махового движения в коленном суставе. Рис. из статьи Science, 319, 807 (2008).
Первое -- это специальная насадка на ноги в районе колена, которая использует энергию махового движения ноги и позволяет генерировать 5 ватт на каждой ноге. О ней рассказывается в статье J.M.Donelan et al, Biomechanical Energy Harvesting: Generating Electricity During Walking with Minimal User Effort, Science, 319, 807 (8 February 2008); про нее уже в сети писали, но я изложу по-своему.

Хитрость тут в том, что (по заявлениям разработчиков) такая насадка практически не ощущается при ходьбе, не приводит к дополнительным нагрузкам на ноги. С законом сохранения энергии тут всё в порядке. Просто при обычной ходьбе энергия, производимая мышцами, в конечном счете диссипирует, превращается в тепло, причем самыми разными путями. Именно эту диссипирующую энергию и нужно перехватить.

Например, когда вы делаете шаг, вы совершаете маховое движение в колене. Мышцы сначала разгоняют голень, а затем её тормозят. Вы может быть этого не замечаете, но на последнем этапе тоже тратится мышечная энергия, причем при отрицательной механической работе! Поэтому возникает желание создать девайс, который в этой фазе шага поглощал бы кинетическую энергию этого махового движения, одновременно снимая нагрузку с ноги. Именно так и работает описанное устройство. Оно как бы притормаживает движение ноги: человек делает большее усилие в начале шага, и меньшее усилие -- в конце шага. Усредненное усилие при ходьбе при этом почти не изменяется, но часть энергии переводится в электричество.

Это похоже на регенеративное торможение в гибридных автомобилях за тем лишь исключением, что поглощенная энергия не используется снова для разгона, а переводится в электричество.

Второе устройство было описано в вышедшей на днях статье R.Yang et al., Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator в NanoLetters. Оно в общем-то очень простое -- на тело присобачивается маленькая пластинка с микроскопическим пьезогенератором, который выдает до сотни милливольт даже при небольших движениях, например, при шевелении пальцем. Бесчувственные физики поместили такую пластинку даже на спину хомячку, и он бегал, вырабатывая электричество.

Тут полезно то, что электричество вырабатывается при любом движении, регулярном или нерегулярном (в отличие от предыдущего махового генератора). Сама по себе эта реализация пока не очень впечатляет, но тут есть перспективы дальнейшего уменьшения размеров и вживление таких пластинок в организм. А что, может получиться очень удобно -- колешь дрова и не потеешь, потому что не жарко, вместо выброса тепла в теле запасается электроэнергия. В общем, прямая дорога к киборгам :)

8 комментариев:

  1. Фирма Seiko уже давно делает электронные кварцевые часы, которые заряжаются от ходьбы. Как механические часы с автоподзоводом.
    Если их надолго оставить в покое, они выключают механическую часть и тикают себе в уме. Если их потрясти - то они сами подводят стрелки часов :)

    вот тут видео

    ОтветитьУдалить
  2. Так и представляю.. Две тысячи сто двенадцатый год, нефть давно закончилась, суровые сибирские киборги отправляются в лес, заготавливать дрова на зиму...

    ОтветитьУдалить
  3. в перспективе наверняка будет нарушаться какой-нибудь баланс между физической работой и тепловыделением. Но это, наверное, будет только если кпд таких устройств будет высоким, а так пока не страшно=)

    ОтветитьУдалить
  4. Супер! Скоро фраза "мой сотовый разрядился" потеряет смысл ("а ты коленку подключил?") :) А пьезокристаллы все же лучше не в тело вставлять (бр-р-р), а в подошвы ботинок, например. Помнится замечательный журнал прошлого века "Юный техник" такие идеи описывал ишшо в 70-х...

    ОтветитьУдалить
  5. в условиях кризиса такие системы актуально преобразовывать в калории/еду. Спишь, проснулся и уже сыт (энергия дыхания/грудной клетки "преобразовалась") :)

    ОтветитьУдалить
  6. to nick & Pupkin:
    да кто спорит, получать маленькую мощность от движения крупного животного уже давно научились. Я тоже видел кроссовки со встроенными лампочками, которые зажигаются, когда наступаешь. Но только у них мощность составляет доли ватта, на порядок меньше эти наколенников.

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный12/2/09 20:28

    Гы, Осталось придумать джинсы Левайс с контактами для комуникатора

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный27/4/09 13:47

    А вот для первого генератора если сделать трещотку, чтобы он снимал энергию только с тормозящих усилий, то от работы генератора вообще можно даже получить выигрыш при ходьбе.

    Правда, разгоняют-то одни мышцы, а тормозят другие, так что через некоторе время пользования такого генератора тормозящие мышцы атрофируются. Будем ноги резко вперед выкидывать...

    ОтветитьУдалить