Человеческое тепло станет вечным источником энергии?

Yagi Studio Getty Images

Сможем ли мы в будущем подзаряжать бытовые приборы и гаджеты за счет бесплатной энергии, которую каждый день мы сами производим естественным образом, собственным теплом? Молодая инновативная швейцарская компания разработала технологию, преобразующую тепло человеческого тела в электрическую энергию. 

Русскоязычную версию подготовила Лейла Бабаева.

Забудьте на мгновение о солнечной энергии, биомассе, энергии ветра и гидроэнергетике. А что если будущие возобновляемые источники энергии кроются… в самих людях? Все мы смотрели «Матрицу» и по меньшей мере с тех самых пор знаем, что тело человека генерирует тепло. Злобные машины использовали в фильме этот феномен для того, чтобы, превратив людей в батарейки и «прокачав» им головы воображаемой реальностью, получить бесплатный и вечный источник энергии. Но что если эта технология однажды будет на самом деле реализована не в антиутопии, а на практике? 

Когда у нас поднимается температура или когда мы занимаемся спортом, мы ощущаем внутреннее тепло. Это свойство нашего организма отличает нас от рептилий и других холоднокровных животных, а еще оно стало источником бесчисленных литературных метафор, от «энергичного» характера до «горячего сердца», к которому должны, как известно, должны прилагаться холодная голова и чистые (в коронавирусном смысле) руки. В то же время не все знают о том, что тепло человеческого тела действительно можно напрямую преобразовывать в электричество. 

Идея не нова, однако высокотехнологичные устройства, например, умные часы и фитнес-браслеты, способные приносить практическую пользу, и которые можно было бы выпустить на массовый рынок, были разработаны только в самые последние годы. Швейцарский стартап Mithras намерен закрепиться на этом пока нишевом рынке и предложить свои инновационные разработки. Созданная при поддержке Высшей технической школы Цюриха (ETH) в 2018 году, компания принадлежит к десяткам перспективных стартапов, возникающих сейчас в стране та стыке экономики, бизнеса и фундаментальной науки. 

«Я всегда хотел изобрести нечто, что имело бы большой потенциал развития и я интересовался сферой высоких технологий», — говорит Франко Мембрини (Franco Membrini), основатель и исполнительный директор компании Mithras. По образованию он историк, но его всегда привлекала перспектива изучения «энерго-теплового потенциала» человеческого организма поскольку он видел в этом «замечательную возможность внести вклад в создание сети децентрализованного производства электрической энергии», то есть сети, для которой не нужны столбы, провода, платины и огромные реакторы. 

Потенциал: 10% потребляемой в мире энергии

Тепловая энергия, которую в среднем  излучает человеческое тело за единицу времени, эквивалентна 100-ваттной электрической лампе накаливания. Большая часть этой энергии уходит без какой-либо пользы в окружающую среду, и вот как раз именно эти-то «отходы» молодая компания из города Кур что в кантоне Граубюнден и намерена использовать в качестве источника энергии с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ), который для выработки электроэнергии использует так называемый «эффект Зеебека». 

Речь идет о разнице температур между поверхностью кожи и окружающей средой, за счет которой и получается даровое электричество. «Эта разница очень важна, чем она больше, тем больше выработка энергии, независимо от того, находитесь ли вы в полярном регионе или в пустыне. Чтобы начать вырабатывать электроэнергию достаточно разницы в один градус Цельсия», — объясняет 29-летний Франко Мембрини. Использовать всю тепловую энергию человеческого тела со 100-процентной эффективностью невозможно. 

Тем не менее, «использование ТЭГ представляют собой, с нашей точки зрения, довольно многообещающую стратегию с огромным потенциалом». По его расчетам, тепло, вырабатываемое более чем 7,7 миллиардами жителей Земли, может обеспечить до 10 % от всей энергии, потребляемой на планете. «Каждый день взрослый человек выделяет в среднем 3 кВт⋅ч энергии, этого объема хватило бы на работу современного жидкокристаллического телевизора в течение 30 часов».

Оптимизация забытой технологии

«Использовать человеческую энергию в качестве возобновляемого источника электричества ученые и инженеры пытаются уже с начала 20 века», — напомнил Франко Мембрини, приведя в пример радиопередатчики, получавшие энергию за счет ручной динамо-машинки и широко распространенные в 1940-е годы. Однако быстрый прогресс, достигнутый в области производства аккумуляторов, отодвинул такие энергосистемы на второй план, которые могли бы подпитываться людьми. Успехи, достигнутым в области материаловедения и в сфере производства переносных устройств, энергия, производимая телом человека, снова вызывает живейший интерес инженеров. 

«Эффект Зеебека»

Явление возникновения ЭДС (электродвижущей силы) на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Этот эффект иногда называют также «термоэлектрическим эффектом». 

Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Thomas Johann Seebeck; 1770–1831). Результаты своих опытов он в 1822 году опубликовал в «Докладах Прусской академии наук» в формате статьи под названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

В 1980 году компания Bulova выпустила разработанные в г. Биль (кантон Берн) часы Thermatron, работающие за счет выделяемой телом энергии. Позднее их производство было прекращено из-за технических трудностей.

В 2009 году инженер ETH Цюриха Вульф Глатц (Wulf Glatz) получил премию ассоциации Swisselectric за разработку термоэлектрического генератора, использующего разницу температур между воздухом и источником тепла.

В 2013 году телекоммуникационная компания Vodafone и Саутгемптонский Университет представили спальный мешок, способный использовать тепло человеческого тела для заряда батареи мобильного телефона.

Термоэлектрические генераторы также используются в космосе. Они вырабатывали энергию для космических зондов «Вояджер» и «Галилео». Новейшее устройство установлено на марсоходе «Персеверанс», который недавно опустился на поверхность Марса.

«По сути мы взяли уже существующую технологию и просто оптимизировали ее для нужд нашей эпохи», — пояснил Франко Мембрини. В самом деле, «эффект Зеебека» известен ученым уже давно. Мы разговариваем с Рене Росси (René Rossi), директор «Лаборатории биомиметических мембран и тканей» швейцарской «Федеральной сертификационной Лаборатории материаловедения» (Empa). «До настоящего времени применение этого эффекта ограничивалось низкой энергоэффективностью предлагавшихся технических систем. 

Но сегодня мы уже в состоянии перейти от масштаба милливатт к нескольким десятым частям 1-го Ватта, а это уже представляет с точки зрения рыночного потенциала значительную потребительскую и коммерческую ценность». По его словам, в настоящее время исследования ведутся в нескольких направлениях. «Например, мы разрабатываем умный текстиль, использующий солнечную энергию. Другие исследовательские рабочие группы стараются найти способ преобразования механической энергии в электричество, например, при помощи интеграции в подошвы обуви особых генераторов».

Заряжая во сне

Что касается компании Mithras, то она работает сейчас над реализацией двух идей. Во-первых, она хочет разработать мини-ТЭГ в виде носимого на запястье браслета, который можно было бы использовать для зарядки мобильных устройств. Во-вторых, компания ищет способ найти инженерное решение, при котором термоэлектрический генератор встраивался бы непосредственно в устройство и подключался бы к его батарее. 

Единственным предварительным условием для производства электричества является прямой контакт устройства с телом. «Неважно, пьете ли вы кофе, занимаетесь ли спортом или спите, батарея будет заряжаться сама по себе», — говорит Франко Мембрини. В настоящее время на его фирме работают шесть человек, компания хочет сосредоточить все свои усилия в основном на разработке индивидуальных медицинских приборов, с учетом их, как правило, низкого энергопотребления. 

«Мы хотели бы, чтобы в будущем такие устройства, как инсулиновые помпы, слуховые протезы или биодатчики, отслеживающие температуру тела и иные жизненно важные функции, были бы полностью автономными, не зависящими от внешних источников энергии. Ведь а таком случае можно избежать проблем, связанных как с отказом батарей, так и с возможными осложнениями в результате хирургической операции по их замене».

Эту технологию можно было бы применять и для зарядки мобильных телефонов, хотя они в настоящее время и не входят в список приоритетов компании Mithras. «С точки зрения нашей технологии обычный смартфон потребляет все еще слишком много энергии. В лучшем случае мы могли бы научиться продлевать срок действия его батарей», — резюмирует Франко Мембрини.