Источники энергии для гаджетов будущего

Гаджеты неумолимо становятся всё меньше в размерах, несмотря на очевидные анатомические ограничения человека. И постепенно становятся всё «носимее», всё ближе к телу. Яркие примеры — фитнес-трэкеры, которые заняли место наручных часов, вытесненных было из обихода массовым распространением мобильных телефонов. Теперь часы, перегруппировавшись и получив подкрепление, перешли в наступление уже в виде «умных». Очки, тоже ушедшие в подполье благодаря контактным линзам, вскоре могут подтянуться вслед за часами.

Естественно, это не предел. В недалёком будущем нас ожидает появление ещё более компактных гаджетов. Возможно, они даже будут использовать тело человека. И тем острее должна встать проблема электропитания гаджетов. С одной стороны, измельчание элементной базы может повлечь за собой снижение энергопотребления. С другой стороны, аккумуляторы тоже придётся уменьшать в размерах, чтобы хоть как-то сохранить компактность и изящество изделий. И всё станет ещё сложнее в случае использования тела человека как активного компонента самого гаджета. Поэтому сейчас самое время обратить внимание на альтернативные способы электропитания, которые могут стать хорошим подспорьем уже сейчас.

В частности, давайте рассмотрим использование тепла человеческого тела, пот и канализированный свет.

Привычная еженощная зарядка гаджетов может быть неудобной для некоторых носимых гаджетов. А в ряде случаев, например, имплантированных устройств, — даже невозможной. В своё время широкую огласку получил опыт Нила Харбиссона (Neil Harbisson), которому в 2004 году в ходе подпольной операции имплантировали в голову устройство на 30-см кронштейне, позволяющее различать цвета. Дело в том, что Нил страдает редким генетическим расстройствам, выражающемся в отсутствии цветового зрения. Конечно, он не обрёл вдруг способность различать цвета. Если вкратце, то изображение с камеры трансформируется в звуки разной частоты в зависимости от регистрируемых цветов. И Харбиссон ориентируется в многоцветье мира по этим звукам, транслируемым имплантатом.

В 2013 году Харбиссон апгрейдился, добавив Bluetooth-модуль, что позволило ему загружать изображения с мобильного телефона, которые ему присылают другие люди. Также Харбиссон стал первым человеком, официально признанным киборгом — британская паспортная служба создала прецедент. Но также на своём примере он продемонстрировал особенности «эксплуатации» имплантированных гаджетов.

Несомненно, что рано или поздно использование носимой электроники станет если не трендом, то совершенно обыденным явлением. Причина проста — это очень удобно. Гораздо проще пристегнуть, приклеить, имплантировать или даже татуировать себе тот или иной гаджет. Например, имплантированный телефон нельзя нигде забыть, потерять, уронить в воду, случайно сесть на него и раздавить.

На рынке уже прочно утвердились носимые гаджеты, использующие самые разные способы «монтажа»: браслеты, наклейки, зажимы, подвески, вживлённые датчики и «умную» одежду, включающую вплетённые и вшитые электронные компоненты. Пожалуй, уже испробованы все возможные способы.

Причём главной проблемой носимых гаджетов уже (или тоже) является электропитание. Не спасает даже повышение энергоэкономичности. В случае с традиционными смартфонами, планшетами и прочими устройствами нам достаточно просто поставить их ночью на зарядку, но это далеко не всегда удобно для владельцев носимых гаджетов. А как быть с имплантированными устройствами? Резать по живому и менять батарейки?

Конечно, учёные продолжают работать над снижением энергопотребления гаджетов. Например, весьма перспективными выглядит этот чип, способный радикально улучшить ситуацию. И в случае успешности данной разработки, для длительного питания устройств будет достаточно даже энергии из «окружающей среды». Возможно, на первых порах, она будет использоваться в дополнение к основному аккумулятору.

Получение энергии извне

Все потенциальные внешние источники энергии для гаджетов можно условно разделить на пять видов: фотоэлектрические (свет), термоэлектрические (тепло), пьезоэлектрические (механическое давление/сжатие), электродинамические (вибрация/движение) и биологические (органическая химия, например, с использованием жира или пота). За последние 2-3 года были проведены десятки исследований, по которым можно судить о прогрессе во всех пяти категориях. Но почти все успехи остаются ограниченными стенами лабораторий, не считая нескольких исключений вроде «биометрических наушников».

Помимо научно-технических сложностей использования внешних источников энергии, есть немаловажный фактор психологической неготовности потребителей. Устройства, «питающиеся» теплом нашего тела или иными видами энергии, станут для людей приемлемее лишь спустя некоторое время, когда носимые гаджеты станут привычны, как современные смартфоны. Первые поколения носимых гаджетов ещё будут использовать традиционные перезаряжаемые аккумуляторы, но в течение считаных лет потребители станут готовы к «следующему шагу».

Альтернативная энергия

Но всё же это далеко не ключевой момент. Главной движущей силой внедрения альтернативных источников энергии остаются научно-технические успехи. Наиболее многообещающими направлениями сегодня выглядят:

• Преобразование тепла человека в электричество с помощью стеклоткани. Уже разработан лабораторный образец гибкого стеклотканевого термоэлектрического генератора толщиной около 500 микрон и плотностью около 0,13 гр/см2. Минимальный радиус изгиба составляет 20 мм, а производительность генератора не изменяется в течение 120 циклов сгибания.

• Канализирование света с помощью фотоэлектрических органических ячеек, вплетённых в ткань. Они представляют собой гибкие и мягкие участки на ткани площадью до 5 см2. На сегодняшний день их КПД составляет около 1,79%, на ярком солнце плотность вырабатываемого тока достигает 13,11 мА/см2.

• Преобразование лактатов из человеческого пота в электричество с помощью «биотатуировки». Это не классическая татуировка, а временное покрытие из вещества, в котором в процессе химической реакции происходит выработка электричества. Сейчас учёные добились выработки около 4 микроватт при площади контакта с кожей в 6 мм2. При использовании более крупных «татуировок» удавалось достичь 70 микроватт.

• Использование радиомагнитных полей для беспроводного питания биометрических имплантатов и «самоходных» устройств для целенаправленной доставки лекарств.



Вероятно, в течение нескольких ближайших лет мы сможем увидеть первые коммерческие устройства, использующие вышеописанные альтернативные источники питания. Конечно, если говорить о приборах медицинского назначения, то в первую очередь новые технологии будут использоваться для некритичных для жизни целей, уж точно не для кардиостимуляторов.

Наверняка эффективность первых альтернативных систем питания будет низкой. Вполне возможно, что 90% времени они будут накапливать энергию, внося небольшой вклад в общее энергоснабжение устройств. Но однажды ситуация изменится, и мы будем носить батарейки и аккумуляторы просто для подстраховки. А гаджеты прекрасно будут работать и без них.

О дивный новый мир.

Предположим, что в ближайшие полгода-год удастся радикально увеличить эффективность описанных технологий. Какие из них можно было бы применить в современных устройствах, например, новых поколениях YotaPhone? Самые очевидные — термо- и фотоэлектрическая.

Интеграция в корпус смартфона наружных теплопоглощающих элементов позволила бы существенно продлить работу устройства. Причем не обязательно все время держать его в руках, достаточно и кармана, лишь бы поближе к телу. Кроме того, совсем другое значение обрело бы явление нагрева гаджета по интенсивной нагрузке. Вместо бесполезного отвода тепла наружу можно было бы использовать его для питания электричеством самого устройства. Рекуперация в чистом виде.

В случае с фотоэлектрической технологией преимущество получали бы те, кто чаще пользуется смартфоном на достаточно ярком свете. Хотя это не добавляет комфорта при работе с традиционными ЖК-дисплеями, зато идет на пользу при работе с EPD, электронными чернилами. Логично было бы разместить светопоглощающие элементы на торцах устройства. В качестве альтернативного решения можно подумать о быстросъемных фотоэлектрических чехлах для смартфонов, вырабатывающих энергию на свету и сразу заряжающих свое содержимое индукционным способом.

А какие способы реализации альтернативных технологий электропитания смартфонов приходят вам в голову?

Источник: habrahabr.ru/company/yotadevices/blog/237049/