Зависимость человека от источников электроэнергии – наше настоящее и будущее. Поиск новых идей, откуда и как получить доступное в любой момент электричество, воплощение их в жизнь – задача, которую ставят перед собой ученые и изобретатели многих стран.

Уже никому не кажутся странными такие решения восполнения энергии, как генератор, питающийся от турникетов, установка пьезоэлементов в напольном покрытии, «лежачих» полицейских тоже можно «заставить» отдавать полученную энергию, сточные воды можно приспособить, использовать вулканическую деятельность и многое другое, что нас окружает «зря», но содержит потенциал получения электричества. Количество идей растет пропорционально развитию науки. Пока ни одно из предложений не нашло массового применения по разным причинам: низкий КПД, сложность и высокая стоимость оборудования или обслуживания и т.д. Возможно, среди представленных ниже разработок окажется источник питания, который в недалеком будущем станет востребованным.

Воздушный генератор

Белковые волокна (нанопроволоки), которые вырабатывают микробы Geobacter, оказались токопроводящими, что позволило в одной из лабораторий Университета Массачусетса в Амхерсте создать пневматический генератор Air-gen.

Принцип действия устройства: нижняя и верхняя грань тонкой, до 10 мкм, пленки касаются соизмеримых (миниатюрных) электродов. Пленка адсорбирует молекулы воды, точнее, пара из воздуха, создается градиент напряжения. На условия генерации электрического тока влияет комбинация электропроводности и химического состава наружной поверхности белковых волокон, а также размеры пор между волокнами в пленке. Как считают изобретатели, Air-gen сможет генерировать электроэнергию даже в самых засушливых регионах.

Лабораторный прототип прибора на пленке толщиной 7 мкм позволил добиться постоянного напряжения около 0,5 В с плотностью тока 17 мкА/см2. Вполне достаточно для обеспечения питанием малогабаритной электроники, например, умных часов, браслетов для фитнеса, смартфонов, особенно, если выпускать его в виде патча.

Когда дождевые капли – возобновляемый источник электроэнергии

Одна из разработок Городского университета Гонконга – электрогенератор на основе свойств полевых транзисторов и энергии падающих капель воды. Эффективность преобразования энергии высока, полученная удельная мощность достигает 50,1 Вт/кв. м, тогда как у аналогичных по принципу действия трибогенераторов данная характеристика ниже на несколько порядков.

Падающие с высоты капли
Падающие с высоты капли

Основное устройство состоит из верхней пленки (политетрафторэтилен), подложки (оксид индия и олова), электрода (алюминий). Падающие на пленку капли растекаются по поверхности и соединяют электрод из оксида с электродом из алюминия, в результате получается электрическая система с замкнутым контуром. Обычный межфазный эффект преобразуется в объемный эффект; плотность мощности увеличивается.

При испытаниях лабораторной установки разработчики убедились, что капля воды (0,1 г или 100 микролитров) при падении с высоты 15 см генерирует напряжение свыше 140 В, и зажигает около 100 светодиодных лампочек. Данный вид энергии вполне можно отнести к возобновляемым источникам, так как кинетическая энергия капли обусловлена гравитацией, а применять этот способ можно везде, где вода падает на жесткую поверхность, будь то крыша здания, корпус судна или даже зонтик.

Между светом и тенью

Стало привычным использование энергии солнечного света солнечными электростанциями, эффективность которых очень зависит от оптимального угла падения лучей и, тем более, периодического затенения светочувствительных панелей. Оказывается, наличие тени может послужить источником энергии, что и продемонстрировали исследователи из Национального университета Сингапура, создавшие SEG-генератор (Shadow-effect energy generator). Суть идеи: благодаря разности потенциалов между контрастными по освещению участками в генераторе возникает ток, чем контрастнее участки, тем эффективнее отдача. Максимальный выход, когда одна половина панели ярко освещена, а вторая находится в тени. Ячейки, составляющие генерирующую поверхность: подложки из кремния, покрытые сверхтонкой золотой пленкой.

Удельная плотность мощности устройства, проходившего испытания в помещении, составила 0,14 мкВт/кв. см, полученная при помощи тени энергия – 1,2 В (для управления электронными часами хватит).

Еще одно возможное применение SEG – в качестве датчика движения, не требующего дополнительного питания, легко интегрируется в интеллектуальные сенсорные системы. Разработчики уверены в широких перспективах созданного генератора как для выработки «зеленой» энергии, так и в силовой электронике.

Источники электроэнергии, окружающие нас

Нас окружают низкоуровневые магнитные поля везде, где используется электричество: дома, на работе, в транспорте. Ученые Пенсильванского университета разработали способ, как уловить эти случайные магнитные поля и преобразовать их энергию в электричество.

Способ для сбора случайных магнитных полей
Способ для сбора случайных магнитных полей

Соединив два материала в одну композитную структуру, получили устройство, основанное на свойствах примененных материалов. Один из них – магнитострикционный, преобразующий в напряжение магнитное поле, второй – пьезоэлектрический, превращающий напряжение в электрическое поле.

Сам генератор представляет тонкие, как бумага средней плотности, полоски длиной около 1,5 дюйма (3,8 см). Предполагается разложить их на бытовых приборах, вблизи осветительных устройств и других местах с повышенным уровнем магнитного поля. При испытаниях замеры показали следующее: от одного мини-генератора, расположенного в 10 см от обогревателя, получена электроэнергия, запитавшая 180 светодиодных матриц; когда расстояние увеличили до 20,5 см, электроэнергии хватило для питания цифровых часов.

Разработчики считают, что данная технология должна учитываться при проектировании интеллектуальных объектов, где предполагается применение автономных беспроводных сенсорных сетей для дистанционного контроля и управления.

Генерация энергии при помощи бактерий

Многие ученые рассматривают жизнедеятельность микроорганизмов как возможный источник электроэнергии. Работая в этом направлении, исследователи из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали макетный образец биотопливной установки. В качестве «подопытных» выбрали сине-зеленые водоросли Anabaena и Synechococcus. Причины выбора: они имеют бактериальную структуру клеток и используют для получения энергии солнечный свет, при этом электроны забирают из воды, а образование углеродсодержащих соединений производят за счет поглощенного из воздуха углекислого газа.

Бактерии для биохимической генерации энергии
Бактерии для биохимической генерации энергии

Генерация электроэнергии биотопливным элементом под воздействием солнечного света удалась. При работе над повышением эффективности установки пришлось подбирать параметры наноструктурированных анодов, варьируя составом углеродных материалов. Лучший результат показала ячейка с бактерией Synechococcus на гибридном аноде — 183 мВт/кв. м.

Электричество из черной дыры

Идей, как воспользоваться энергией космоса, точнее, получить хоть небольшую часть от той колоссальной энергии, которую содержит черная дыра, высказывалось немало. Свежую идею предложили двое ученых-физиков: Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского университета (США) и Фелипе Асенжо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса (Чили). Суть: работа с магнитными полями (вмешательство за счет размыкания и замыкания линий) на расстоянии относительной близости к черной дыре.

Способ получения энергии из черных дыр
Способ получения энергии из черных дыр

Область пространства рядом с дырой заполнена плазмой из заряженных частиц веществ, находящихся в стадии ожидания перед поглощением. Если управлять линиями магнитного поля, создавать завихрения, можно принудить эти заряженные частицы ускориться (теоретически – до значений, соизмеримых со скоростью света), одна их часть по-прежнему будет двигаться в направлении вращения воронки черной дыры за счет центробежных сил, другая – против вращения за счет центростремительных сил.

Центростремительные частицы плазмы, ускорившись, получают отрицательный спин, отрицательную энергию и исчезают в гравитационной воронке. Центробежные частицы благодаря дополнительному ускорению смогут покинуть зону притяжения черной дыры, унося часть энергетического заряда. Остается организовать систему, улавливающую частицы. Если в обозримом будущем удастся реализовать идею на практике, то, по предварительным оценкам исследователей, эффект от процесса составит не менее 150%.