Альтернативные источники энергии для мобильных устройств будущего

Существует мнение, что iPhone занятого человека может за год съесть электроэнергии больше чем холодильник. Однако это не значит что как только уровень заряда батареи становится низким его нужно ставить к стене на место холодильника.*

Беспроводное питание едва ли придет к нам завтра, но оно уже в пути. Энергия окружает нас повсюду, кроется в любом действии и большая ее часть, утекая не использованной, будет переработана вселенной и воплощена в бесконечном множестве других, невидимых глазу процессов. Ученые и инженеры сегодня как никогда близко подошли к тому, чтобы найти способ собирать энергию из окружающей среды, из нас самих и наших устройств. От наностолбиков, способных компенсировать энергопотребление устройства путем превращения излишков тепла в электричество, до телефонного чехла, способного поглощать энергию вибрации приборной панели автомобиля во время поездки.

И мы говорим не просто о беспроводной подзарядке мобильника: речь идет о попытках собирать энергию из окружающего нас мира. Вместо того, чтобы занимать акры земли солнечными панелями или ставить ветряные установки размером с небоскребы, инженеры занимающиеся разработкой проблемы сбора энергии хотят обеспечить питание Ваших мобильных устройств, используя такие явления как разница температуры, вибрации внешней среды, или Ваш поход на работу. И это серьезная задача не только для инженеров, но и для разработчиков устройств, потому что включение в энергосистему окружающей среды не должно вносить помех в повседневную жизнь.

Несколько беспроводных устройств, собирающих энергию уже нашли свою дорогу к потребителю, но самые серьезные шаги вперед делаются сейчас в лабораториях. Представляем вам обзор некоторых многообещающих способов по обеспечению питания мобильных устройств, которые исследуют инженеры и дизайнеры.

Термоэлектричество

Одежда, сделанная из термоэлектрических материалов будет вырабатывать энергию медленно, в течении всего дня. Source: Wake Forest University

Как работает: Электроны бегут от теплого к холодному, создавая ток. Когда этот ток переходит с одного металлического проводника на другой, он генерирует заряд. Подключите к месту перехода провод и Вы получите электричество.

Как это применить: Ваше тело — постоянный источник тепла. Очевидно, что оно может послужить в качестве ходячего источника электричества. В 2010 году на фестивале в Гластонбери мобильный оператор Orange представил гостям Power Wellies (Wellies — резиновые сапоги, — прим. переводчика) — грязевые сапоги с термоэлектрической вставкой в подошве, предназначенные для зарядки сотовых телефонов. Vodafone развил тему в 2013 году на фестивале острова Wight, предоставив спальники и шорты с термоэлектрическими карманами. Orange утверждают, что каждые 12 часов топанья по грязи дадут вам 1 час работы батареи. Карманы Vodafon’a позволят получить 24 минуты разговорного времени на каждые 8 часов, проведенные в спальнике.

В прошлом году некая компания Epiphany продемонстрировала подставку для стакана, которая собирает энергию из Вашего напитка, неважно, горячего или охлажденного. onE Puck заряжает телефон, используя жидкость в стакане для того, чтобы нагреть или охладить инертный газ внутри, который расширяется или сжимается, тем самым управляя поршнем, который, в свою очередь, заводит генератор. Принцип работы отличается от термоэлектричества, но оба способа превращают изменение температуры в источник питания. С одной кружки свежезаваренного горячего кофе, onE Puck дает столько же ватт электричества, сколько и настенная розетка, что является большим преимуществом перед тем, что могут дать носимые термоэлектрики, описанные выше.

Трудности, которые нужно преодолеть: Сбор тепла и превращение его в электричество при помощи термоэлектриков дело достаточно легкое, но сам по себе процесс пока остается медленным и малоэффективным. Лучшие из материалов могут собирать около 15-20% тепла, при этом ни один из них не может собрать больше 30%). Но это не самая большая проблема. Дело в том, что величина заряда, который термоэлектрики получают тем больше, чем больше разница температур. Поэтому если температура окружающего воздуха близка к температуре Вашего тела, поток вырабатываемой энергии превратиться в тонкую струйку. Что же касается подставки, она может давать приличное количество энергии. Однако для того чтобы полностью зарядить устройство ей понадобиться непрерывно лежать под горячим кофе на протяжении 2 часов. Подливать горячий кофе так долго чтобы зарядить телефон? Едва ли можно назвать такой способ зарядки удобным.

Потенциал технологии: С учетом низкого предела энергии отдаваемой за один раз, термоэлектричество — не лучший источник для устройств с высоким уровнем потребления и высоким IQ. Однако оно прекрасно подойдет для использования во встроенных медицинских датчиках и может позволить фитнес трекерам работать бесконечно. Один из многообещающих термоэлектрических материалов называется Power Felt (felt — волокно — прим. переводчика) — ткань, которую создали в Wake Forest University, в штате Северная Каролина. Она сделана из переплетения углеродных нанотрубок и пластиковых нитей и ее можно использовать для создания полноценных линий одежды, собирающих тепло таким образом. И если удастся избавится от лишних проводов, термоэлектрическая майка, покрывающая большую часть тела, сможет собирать достаточно тепла, чтобы эта технология оказалась востребованной.

Пьезоэлектричество

Как работает: Если сжать, потрясти или по другому воздействовать на некоторые материалы, в особенности — на кварц, они создают электрический заряд. Воздействие должно вызывать в материале колебания определенной частоты.

Как это применить: В настоящий момент, технология нашла свое лучшее применение в устройствах с низким потреблением энергии, не относящимся к категории «умных», таких, как этот пульт ДУ от Phillips и Arveni. Инженерное сообщество с огромным оптимизмом смотрит на возможности широкого использования пьезоэлектрических устройств в мобильной индустрии. Однако ныне доступные материалы и элементы все еще не в состоянии собирать достаточно энергии, чтобы питать мобильные устройства. Существует патент на пьезоэлектрическую клавиатуру, поданный на регистрацию еще в 1989 коду, но пока ученые не найдут способ увеличивать количество энергии, которое им удается получать в процессе применения этой технологии, не видать нам лэптопов, которые заряжаются сами от ударов по клавишам.

Трудности, которые нужно преодолеть: У пьезоэклектричества нет теоретического ограничения в количестве собираемой энергии, которое есть у термоэлектричества. Главная проблема здесь в том, пьезоэлектрические материалы плохо удерживают точную частоту, на которую их нужно настроить. Помимо проблемы поддержания частоты, колебания окружающей среды также могут свести на нет эффективность пьезоэлектриков. Некоторые керамические материалы могут работать с колебаниями более широкой полосы частот, но они, как правило, хрупки и поэтому недостаточно гибкие для мобильных устройств.

Потенциал технологии: Существует одно перспективное решение проблемы неустойчивости удержания частоты пьезоэлектриками. Оно заключается во внесении изменении в их структуру, что сделало бы их гибкими. Доктор Xudong Wang из University of Wisconsin возглавляет группу ученых, которая создала губкообразный пьезоэлектрик, размер которого можно запросто подстроить под размер телефона. Согласно Wang’y, телефон, обернутый этим материалом можно заряжать прямо на приборной панели машины. «Вес батареи давит на телефон, заставляя его вибрировать, — объясняет он, — таким образом мы обходим проблему с работой на резонансной частоте.»

Биомеханическая энергия

Камуфляж и майка с банданой в комплект не входят. Source: Mobile Power

Как работает: Биомеханические устройства используют движения нашего тела, чтобы, в свою очередь, приводить в движение маленькие генераторы. Они часто используют обратные силы, например усилие Вашей коленки, которое она прилагает, чтобы выпрямить ногу перед каждым шагом при ходьбе.

Как это применить: Сейчас в продаже нет ни одного настоящего биомеханического устройства, но коленный брекет PowerWalk, компании Bionic Power, которым пользуются военные скоро может превратиться в модель доступную рядовому потребителю. Согласно данным с веб-сайта компании, час ходьбы с надетыми на обе ноги брекетами позволит зарядить до 4 мобильных телефонов. Не нужно даже напрягать воображение чтобы представить себе, насколько популярными будут такие устройства у людей, любящих вылазки на природу.

Велосипедные динамо технически не являются биомеханиками, но они существуют уже много лет и используются для питания световых и сигнальных фар, а также одометров. Недавно несколько компании показали специальные USB адаптеры. Теперь зарядка телефона во время поездки на расстояние — еще одна вещь, с которой велосипед справляется лучше, чем машина.

Трудности, которые нужно преодолеть: Вряд ли можно что-то поделать с тем, что большинство биомеханических устройств будут выполнены по типу брекетов. А это значит, что люди, первыми пробующие эту технологию будут выглядеть как гики. Биомеханические сборщики энергии могут генерировать огромное количество энергии, но выглядят они грубо. И хотя коленные брекеты будут становиться все меньше и меньше, их все еще нужно будет одевать утром, вместе с другими вещами. В идеале, персональное устройство для выработки энергии не должно требовать наличия дополнительных аксессуаров, которые мы обычно не носим. Фактор неудобства может ограничить сферы применения биомеханических устройств до таких нишевых, как путешествия, езда на велосипеде или военное дело.

Потенциал технологии: В качестве альтернативы можно рассмотреть такие биомеханические устройства, как этот рюкзак с пружиной. Облегченные биомеханические сумки могли бы в будущем стать незаменимой вещью для людей, путешествующих на дальнее расстояние.

Использование солнечной энергии

Mobile solar starter kit компании The Chargers: Панель прикрепляется к Вашей сумке, носимая батарея легко умещается в руке. Source: Chargers

Как работает: Питание солнечной энергией работает, потому что некоторые материалы вырабатывают электрический ток, когда на них падает солнечный свет.

Как это применить: Сегодня есть не меньше десятка способов зарядить телефон при помощи солнечной энергии. Все они требуют много времени. То есть зарядить что-либо при помощи солнечной энергии сегодня возможно, однако на деле найти розетку в стене и подключиться к ней гораздо проще. Единственный более-менее реальный вариант — использовать панель от немецкого семейного стартапа Chargers. Она дороже других аналогов, но использует внешнюю батарею, способную уместить количество солнечной энергии, достаточное для того чтобы два раза полностью зарядить телефон. Она также разработана таким образом, чтобы ее можно было прицепить к Вашему рюкзаку или сумочке.

Трудности, которые нужно преодолеть: В основе всех задач, которые нужно будет решит лежит так называемый предел Шокли-Квейссера — правило физики, которое гласит, что ячейка батареи может собрать не более 29% солнечной энергии, которая на нее попадает. А в сфере мобильных технологий, все упирается в размеры и время работы. Размер панелей, предназначенных для личного использования позволяет собирать лишь самую малость солнечной энергии даже при очень хороших условиях, когда солнце и солнечная панель смотрят друг на друга под оптимальным углом. Само понятие «мобильная энергия» предполагает, что Вы находитесь в движении, а не нянчитесь со своей панелью, пока она заряжает Ваш iPad.

Потенциал технологии: По сети неизменно ходят слухи о том, что Apple собирается сделать питание iWatch (который до сих пор окутан мраком тайны) солнечным, с последующим ответом от Samsung. В этом году Apple может представить нам новую сенсацию и вполне логично, что самая инновационная компания в мире окажется самой первой из тех, кто откроет для мира эту новую находку в сфере мобильного вычисления.

*Речь идет об iPhone, работающем в сетях 2G или 3G. В сетях четвертого поколения, за счет оптимизации передачи трафика, уровень потребления составляет около 11% от годового потребления холодильника, что уже не сопоставимо. — дополнение автора статьи к ней.