Прощай, павербанк! Российские учёные создают генераторы энергии будущего

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.

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?