Прощай, павербанк! Российские учёные создают генераторы энергии будущего

Одежда, которая генерирует электричество, обувь, которая заряжает плеер во время пробежки, — что ещё придумали учёные для энергетики будущего? Оказывается, черпать энергию можно буквально из воздуха — нужно лишь научиться правильно её «ловить».

Помните фильм «Матрица»? Там ещё людей использовали как батарейки. А если мы скажем вам, что получать энергию от человека — это не такая уж и фантастика? Не пугайтесь, до антиутопии нам (надеюсь) ещё далеко.

Речь идёт о разработке российских учёных: одежде, которая способна заряжать гаджеты и использует для этого энергию... наших движений! Как же это возможно?

Научная магия

Секрет кроется в многообещающих трибоэлектрических наногенераторах (ТЭНГ).

Вы когда-нибудь замечали, как ваш свитер щёлкает статическим электричеством после стирки? Или как в детстве натирали воздушные шарики о свои волосы (или кота), чтобы они прилипли к потолку? Так вот, это и есть простейший пример трибоэлектрического эффекта — возникновения электрического заряда при трении разных материалов.

ТЭНГ работают по тому же принципу, но на наноуровне. Представьте себе два материала с разными электронными свойствами, которые соединили вместе. При трении или деформации (например, когда вы идете или просто двигаетесь) электроны начинают бодро «перепрыгивать» с одного материала на другой и создавать электрический ток.

Вообще, первое знакомство человечества с этим явлением произошло ещё в античные времена. Древнегреческий философ Фалес Милетский заметил любопытную особенность янтаря: оказывается, этот камень, если его натереть шерстью, начинает притягивать к себе мелкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.

И это наблюдение, которое и положило начало изучению электричества, было сделано еще в VI веке до нашей эры! Именно от греческого слова «электрон» (ἤλεκτρον), что означает «янтарь», произошёл термин «электричество», который стал названием для одного из самых важных явлений в нашей Вселенной.

В те далёкие времена люди ещё не могли и представить себе всей мощи и потенциала электричества. Открытие Фалеса долгое время оставалось лишь забавным фактом, а само электричество воспринималось как некая магическая сила.

Лишь спустя столетия, уже в эпоху научной революции, учёные смогли приступить к систематическому изучению электричества, его различных проявлений и законов.

Технология для одежды

Идея использовать движения человека — ходьбу, дыхание, биение сердца — для генерации электричества витает в воздухе уже давно.

И тут как раз и призваны помочь ТЭНГ: само открытие, которое совершили чуть более десяти лет назад, стало настоящим прорывом в области носимой электроники.

Главный вызов для учёных сегодня — создание легких, гибких и «дышащих» материалов для ТЭНГ, которые можно было бы интегрировать в одежду. На данный момент основные надежды возлагаются на различные полимеры.

Так, например, китайские учёные предложили использовать технику киригами — делать в ткани специальные разрезы, которые придадут ей необходимую гибкость.

А их коллеги из США разрабатывают «умный текстиль», чьи волокна содержат ТЭНГ и вплетаются в обычную ткань.

Одежда с встроенными TENG может стать настоящим прорывом, ведь она сможет не только заряжать гаджеты, но и питать различные датчики, которые следят за состоянием здоровья человека. Представьте: вы идёте по улице, а ваша куртка заряжает ваш телефон! Как тебе такое, Илон Маск?

А самое главное, что такая одежда обещает быть очень экологичной и безопасной (самая чистая энергия, ага).

Солнечная энергетика

Кто бы мог подумать, что обычное поскрёбывание иглой может стать ключом к новым технологиям в области солнечной энергетики? Оказывается, если аккуратно провести тонкой иглой по поверхности полупроводника, который покрыт слоем диэлектрика, в нём возникает электрический заряд.

До недавнего времени об этом эффекте никто и не догадывался, но в 2019 году к исследованиям в этой области подключились специалисты из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (ФТИ), известные своими работами в области сканирующей зондовой микроскопии.

Российские физики обнаружили, что генерация электричества «игольчатым методом» имеет свои особенности — в частности, для неё характерна высокая плотность тока при относительно небольшом напряжении. Эксперименты они проводили с полупроводником из кремния и фосфида индия.

Однако первые же опыты принесли противоречивые результаты, что поставило учёных в тупик.

Разгадка нашлась при поддержке Российского научного фонда (РНФ): выяснилось, что лазерная подсветка, которую использовали при проведении измерений, искажала результаты.

Открытие российских ученых создает множество возможностей: например, можно разработать гибридные устройства, которые будут генерировать энергию и от солнца, и от ветра.

К фотоэлементу подводится контакт, который двигается от ветра — вырабатывается больше электричества. Солнце зашло, подул вечерний бриз, ток все равно идёт.

Конечно, не всё так просто. Нужно ещё придумать, как сделать такие гибридные устройства долговечными, ведь постоянное царапанье иглы по поверхности — воздействие не самое бережное.

Тем не менее, потенциал у этого направления огромен, и российские ученые планируют продолжить исследования, в том числе на полупромышленных образцах солнечных элементов, которые производятся в России.

Когда ждать революцию?

Разумеется, у технологии есть и свои «подводные камни»: например, эффективность ТЭНГ может зависеть от погоды. Слишком жарко или влажно? Зарядка будет идти медленнее.

Но именно поэтому и наши, и зарубежные учёные пытаются создать новые материалы, которые будут работать при любых условиях.

Ещё и количество энергии, которое вырабатывает ТЭНГ, пока что относительно невелико — для зарядки мощных устройств её может быть недостаточно. А нановолокна, из которых состоят ТЭНГ, довольно хрупкие и со временем могут изнашиваться.

И самое главное (для нас) — стоимость: производство ТЭНГ — удовольствие не из дешёвых, что вероятно скажется на цене такой одежды.

Короче, технология ТЭНГ ещё очень молода, и до массового внедрения ей предстоит пройти долгий путь,

А какие варианты есть ещё?

К счастью, ТЭНГ не одинок: возьмём, к примеру, пьезоэлектрические генераторы, в основе которых лежит удивительное свойство некоторых материалов генерировать электрический заряд при механическом воздействии — сжатии, растяжении или изгибе. Такие штуки можно установить в обувь, которая будет заряжать гаджеты при ходьбе или беге.

Ещё есть термоэлектрические генераторы, которые используют разницу температур для генерации электричества. Вспомните, как нагревается ваш ноутбук во время работы. А теперь представьте, что часть этого тепла можно было бы преобразовать обратно в электричество и продлить время его работы.

Или, например, вы просто гуляете прохладным вечером, а ваша куртка, улавливая разницу температур между вашим телом и окружающей средой, подпитывает фитнес-трекер.

И, конечно же, нельзя забывать про солнечные батареи нового поколения. Учёные работают над созданием гибких и эффективных солнечных панелей, которые можно будет встраивать прямо в ткань одежды, сумки или даже чехлы для телефонов.

В общем, будущее энергетики обещает быть интересным: ТЭНГ, которые могут зарядить телефон простой прогулкой, или гибридные солнечно-ветряные установки, которые добывают электричество из каждого луча и дуновения, — это уже не фантастика, а реальность, над которой работают учёные по всему миру, в том числе и в России.

Конечно, до массового внедрения этих технологий ещё далеко, и многие вопросы всё ещё предстоит решить, но одно можно сказать уже сейчас: у «энергетики будущего» огромный потенциал. Она обещает быть не только эффективнее, но и экологичнее и удобнее, чем традиционные источники энергии.

Кто знает, может быть, уже совсем скоро мы будем с улыбкой вспоминать о временах, когда нам приходилось искать розетку, чтобы зарядить свой смартфон?