Зачем и как мы будем получать энергию из того, что никому не нужно: из шума машин, из медуз и телепередач.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(12). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

На уроках физики часто демонстрируют забавный опыт. В обычный лимон втыкают пару гвоздей, к ним присоединяют провода. В этой кислой среде железные или оцинкованные гвозди (или медные провода) одного из электродов окисляются. Высвобождающиеся свободные электроны устремляются на другой — в цепи возникает ток, который может питать, например, небольшой светодиод. Гвозди можно заменить медными проводами, а вместо лимона взять любой другой фрукт или овощ: почти все растительные соки богаты кислотой, которая делает их подходящим электролитом для батареек. Подключить калькулятор к картошке? Действительно, забавно.

Забавы забавами, но компания Sony действительно продемонстрировала вполне серьёзный прототип батарейки, работающей на фруктовом соке: ей достаточно примерно четырёх капель (8 мл), чтобы продержаться час. А в Великобритании учёные использовали в качестве источника энергии для компьютера… картофель. Представь, двенадцать картофелин дают энергию, которой хватает почти на две недели для его полноценной работы. Посмотри внимательно по сторонам и ты можешь заметить, что нас окружают самые разные источники энергии. Солнце и ветер — лишь самые очевидные вещи. Современные технологии позволяют вырабатывать электричество даже из тепла нашего тела, шума городских улиц, телетрансляций и… мертвецов.

Энергию имеет всё на свете. Она скрывается в гравитационном притяжении планет, в перепадах температуры, в дребезжащем полотне железной дороги, в радиоволнах. Некоторые из самых богатых источников энергии мы давно взяли в оборот. Увлекаемое притяжением течение рек вращает турбины гидроэлектростанций, сила ядерного распада применяется в атомных электростанциях. Над приручением других, например, термоядерного синтеза, учёные продолжают трудиться. Энергии нам нужно много, но не всегда. Огромное количество приборов и электроники очень экономичны и могут обходиться парой вольт или даже микровольтами напряжения.

Чтобы зажечь светодиод, достаточно лимона. Погодные датчики метеорологических станций, поисковые радиомаячки, медицинские имплантаты — все они потребляют совсем немного энергии. Однако для каждого приходится устанавливать и менять заряженный аккумулятор или подводить провода. Сегодня в мире за год продаётся больше 10 млн таких устройств, а к 2020 году это количество, как предполагают эксперты, приблизится к 20 млн. Они не прожорливы, но их очень много, и на их питание за год тратятся сотни миллионов долларов. А ещё стоит помнить, что, выброшенные старые аккумуляторы и батарейки наносят серьёзный вред природе. Их производство токсично, замена стоит денег — словом, лучше было бы вовсе от них избавиться.

Действительно, небольшие устройства можно запитать и от других работающих на «бросовой» энергии источников, которые можно найти в окружающей среде. Такая концепция называется Energy Harvesting — «сбор энергии». Для её реализации инженеры и учёные ищут способы эффективно вырабатывать электричество из всего, что светится и движется, греется и живёт. С получением тока из света нет никаких проблем (о солнечной энергетике мы рассказывали в предыдущем номере OYLA), а для приручения других источников имеются свои технологии. Освоение их — вопрос лишь времени.

Уверен, что каждый из вас хоть раз включал газовую плиту работающей «от щелчка» зажигалкой, а это значит, что ты на практике знаешь, как действует пьезоэффект. Эта способность некоторых материалов создавать напряжение под действием механической деформации используется довольно широко. Например, так создают смертельную искру взрыватели гранатомётных выстрелов — точно в момент соударения с целью. На этом же принципе работают и некоторые микрофоны.

Деформировать пьезоэлементы можно чем угодно, и их наверняка ждёт блестящее будущее. Например, в нидерландском ночном клубе Club Watt они размещены прямо под танцполом, то есть зал расцвечивают огнями сами танцующие, их ритмические движения перерабатывают кинетическую энергию в электрическую. То есть, чем больше людей «зажигает» на танцполе, тем больше электроэнергии вырабатывается. Существуют проекты размещения таких источников под оживлёнными автомагистралями: каждая проезжающая машина давлением своих шин на трассу создаёт немного энергии, а несколько автомобилей вместе уже смогут обеспечить дорожное освещение. Прогрессивные архитекторы разрабатывают небоскрёбы, питающиеся энергией шума. Принцип таков: здание буквально напичкано специальными датчиками, которые улавливают любые звуковые вибрации (шум ветра, дождя или движущихся машин на ближайшем шоссе) и превращают их в электроэнергию. Аналогичный источник энергии использовал японский дизайнер Юэй Джоу при создании устройства Green Noise: оно способно превращать в энергию шум аэропорта. Каждый взлетающий самолёт производит шум в 140 дБ, что эквивалентно 240 кВт мощности.

Thermography: Joseph Giacomin / The RM Collection

Лишнее тепло можно использовать напрямую. Например, в Лондоне и в Стокгольме горячий воздух с некоторых станций метрополитена забирается, фильтруется и направляется на подогрев общественных зданий. Нельзя не вспомнить, что именно с помощью тепла вырабатывают электричество большие электростанции, сжигающие уголь или газ, нефть или ядерное топливо. Но чтобы использовать даже крошечные перепады температур, нужно знать, что такое термопара. Принципы и историю этого термоэлектрического преобразователя изучают на уроках физики: ещё 200 лет назад немецкий физик Томас Зеебек показал, что если взять два проводника из разных материалов (например, медный и алюминиевый) и поместить их в разные температуры, то по ним побежит ток.

На этом термоэлектрическом эффекте работают точные датчики температуры в кондиционерах, двигателях, компьютерах. Но он же может питать и небольшие электрические устройства. Уже сегодня в продаже можно найти фонарики Lumen, термопара которых при нагревании одного электрода до 28°С способна создать напряжение в 3 В — достаточно для питания небольшого светодиода.

Но главные надежды связывают с использованием тепла тела для подзарядки медицинских имплантов — например, искусственного водителя сердца. И это вполне реалистично: подсчитано, что для генерации нужного количества энергии устройству достаточно перепада в 2°С, тогда как в разных частях нашего тела эта разница может достигать и 5°С.

Практически все наши беспроводные коммуникации — от телевизионной трансляции до WiFi-интернета — используют радиоволны, которые способны распространяться на многие километры. В отличие от коротких ультрафиолетовых или гамма-лучей, много энергии они не несут, зато радиоволны по настоящему вездесущи. Достаточно использовать специальную выпрямляющую антенну, в которой они вызывают появление постоянного тока. В будущем такие устройства обещают эффективно передавать энергию на расстояние без проводов, с помощью высокочастотных (СВЧ) радиоволн. Но на многое они способны и сегодня.

Компания Intel уже продемонстрировала компактную домашнюю метеостанцию, датчики которой питаются от обычной телевизионной антенны. А в Вашингтонском университете разработана крошечная электронная платформа WISP — по сути, небольшой (мощностью как в фитнес-браслете) компьютер, который не требует никакой энергии, кроме радиоволн. Разрабатывается и проект Freevolt, способный собирать энергию радиоволн широкого диапазона — не только телевизора, но и WiFi-сети.

В последние годы всё шире используется переработка отходов сельского хозяйства, превращающая их в жидкое топливо. Но в нашем разговоре о «малых» альтернативных источниках энергии важно другое. Любое живое существо, разлагаясь после смерти, выделяет метан — чистый природный газ. То же происходит и с навозом, который оставляют миллиарды коров, свиней и других сельскохозяйственных животных. Остаётся только собирать их в специальные ферментёры, выделять метан и пускать его в дело. Это ценный ресурс: в США как минимум две компании Norcal Waste и Park Spark даже готовы платить владельцам собак, которые сдадут их отходы для выработки электричества. Гарвардский стартап Lebônê собирается утилизировать энергию разложения органики в обычной грязи. Про пункты приёма мертвецов мы пока, по счастью, не слышали.

Впрочем, самый удивительный способ получить электричество из живых существ предложили шведские учёные из Технологического университета в Гётебурге. Все знают, что некоторые медузы светятся в темноте. Это происходит благодаря зелёным флуоресцентным белкам (GFP), которые присутствуют в их клетках. Невидимое глазу ультрафиолетовое излучение, падая на такой белок, запускает в движение свободные электроны, создавая свечение. Это практически готовый «живой» электрогенератор: шведы доказали это, получив раствор GFP-белка и подведя к нему электроды. Так что в будущем ваш смартфон вполне может питаться энергией если не радиоволн, то хотя бы медуз.