Аналитика

IT-байки: Самонадевающиеся штаны? Нет, самозарядная электроника!

Я говорил ему тысячу раз: "Вы программируете стандартного суперэгоцентриста. Он загребет все материальные ценности, до которых сможет дотянуться, а потом свернет пространство, закуклится и остановит время".
© Аркадий и Борис Стругацкие. "Понедельник начинается в субботу"
Во все времена и эпохи человечество искало простые и недорогие способы добычи энергии. От рабов и тягловой скотины античности до водяных мельниц средневековья, паровых двигателей века XIX, электричества и атома века XX – вот так одной строкой можно описать гигантский путь нашей энергетической цивилизации. Впрочем в наш динамичный век глобальных путешествий, закоренелого индивидуализма и карманной электроники гораздо более актуальным становится вопрос персональной автономности и независимости от внешних источников энергии. Скоропостижно скончавшаяся батарейка в плеере, не вовремя севший акумулятор в мобильнике, фотокамере или ноутбуке – вот настоящая трагедия, по сравнению с которой многие другие проблемы отступают на второй план, особенно в дороге. Описанию самых различных ухищрений для сохранения личной электрической независимости посвящено множество статей публикаций нашего сайта. Более того, относительно недавно эта тема раскрывалась в отдельной публикации IT-байки: заряжай мобильник силой… коленки. И мысли, где рассматривались мыслимые и немыслимые способы использования мускульной энергии для питания персональной техники. Замечательная, кстати, идея – покрутить немного педали, рукоятку или рычажок чтобы оставаться на связи, оживить плейер или смартфон, с одним досадным "но" – крутить придётся, скорее всего, в ущерб сну или отдыху, а великолепные "наколенные" генераторы для зарядки во время ходьбы пока лишь в стадии разработки. В последнее время всё чаще возникает острое желание рассказать нашим читателям о гигантских успехах учёных в разработке автономных источников электричества, добытого непосредственно из солнечных лучей. Успехи, достигнутые в последние годы в разработке современных солнечных батарей, действительно грандиозны: значительно вырос КПД таких источников, появилось множество розничных предложений, да и цены постепенно приходят в норму. Увы, жителям средних и северных широт это знание интересно лишь отчасти, ибо пользы от него немного, да и то лишь в ограниченный сезон. Других способов простого и необременительного получения дармовой энергии в пути что-то и не припоминается. Однако сегодня – только хорошие новости, и что приятно – для всех, ибо сегодняшняя новость о способах использования нового научного открытия никак не зависит от местоположения пользователя на нашей планете. Сегодня поговорим об открытии, которое выводит старое доброе пьезоэлектричество (сегнетоэлектричество) в число потенциально эффективных способов автономной добычи энергии.
Работа коллектива учёных под руководством профессора Тахира Кагина (Tahir Cagin) из Сельскохозяйственного и политехнического Университета Техаса (Texas A and M University) под названием "Enhanced Size-Dependent Piezoelectricity And Elasticity in Nanostructures Due to The Flexoelectric Effect", опубликованная в последнем номере журнала Physical Review B, сообщает неожиданно интригующий факт. Пьезодатчик при подборе специфической толщины материала в десятки нанометров позволяет добиться пикового прироста мощности генерируемого тока на 100%! Научно-популярная пресса тут же поспешила раструбить об эффекте этого открытия, пользуясь аналогиями, наиболее понятными широкой публике. Так, наиболее широко тиражируемой моделью использования новой технологии стала идея… питания мобильного телефона от колебаний мембраны пьезоэлектрического микрофона во время разговора. Звучит, безусловно, очень красиво, идея сразу же обретает выпуклость и быстро находит живой отклик. Но всё же давайте не спешить и попробуем разобраться в сути, отделив зёрна от плевел.
Пьезоэлектрик
В этом месте немного переведём дух и, на всякий случай - совсем небольшой ликбез. Пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики – диэлектрические материалы, способные генерировать электричество в зависимости от приложенного к ним механического воздействия, известны человечеству достаточно давно, хотя серьёзное их исследование было начато лишь в XVIII веке, и только в 1880 году прямой пьезоэлектрический эффект был продемонстрирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Наиболее известные пьезоэлектрики – это некоторые кристаллические структуры, разновидности керамик, хотя в последнее столетие список значительно пополнился искусственно синтезированными материалами.
Схематическое изображение работы пьезоэлектрика
Пьезоэлектрический эффект реверсивен по своей природе. В случае приложения нагрузки к пьезоматериалу наблюдается прямой пьезоэлектрический эффект, генерируется электричество. И наоборот: приложение электричества к такому материалу вызывает обратный пьезоэлектрический эффект, в результате чего материал деформируется.
Пьезоэлектрики
В настоящее время известны десятки различных способов компоновки одно- и многослойных пьезоэлектрических материалов, известны сотни пьезо- и сегнетоматериалов, тысячи способов их применения. Пьезоэлектрики используются в виде датчиков и излучателей звука и ультразвука, генераторов высокого напряжения и высокочастотных колебаний, сверхточных двигателей для прецизионной оптики и многого другого. Мы каждый день сталкиваемся с пьезоэффектом, который проявляет себя в печатной головке струйного принтера, "пищалке" будильника, звукоснимателе для гитары, детекторах, автомобильных системах зажигания, акустических колонках и тысячах других бытовых, медицинских и научных устройств.
Принцип работы пьезоэлектрической печатной головки
Принцип работы пьезоэлектрической печатной головки
Более того, многие из нас каждый день носят обычный пьезоэлектрический прибор в кармане – именно с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта, путём преобразования механического воздействия большого пальца на головку зажигалки, мы получаем высоковольтный импульс, благодаря которому возникает искра и зажигается огонёк бытовой газовой пьезоэлектрической зажигалки.
Пьезоэлектрик
Однако достаточно прописных истин, вернёмся к сути изобретения учёных из Texas A&M University. Не надо открывать Америку, чтобы на собственном опыте убедиться: обычный пьезоэлектрический микрофон способен не только превращать звуковые волны в электромагнитные колебания, но также генерировать звук при подаче сигнала на его электроды. Мысль использовать пьезокерамику для преобразования звуковых волн в практически бесплатное во многих случаях "звуковое" электричество так же не нова. К примеру, благодаря флексоэлектрическому эффекту, получаемому с помощью монтажа "пьезо-уровня" под танцполом, некоторым развлекательным заведениям Европы даже удаётся стать немного более "зелёными" и сэкономить на счетах за электричество. Также в Сети можно найти новость о том, что один из гимнастических залов Гонконга уже оснащён подобной технологией и позволяет превращать механическую энергию в электричество для освещения и музыкального сопровождения.
Пьезоэлектрики
И всё же при всех плюсах хитроумной реверсируемой пьезокерамической технологии никакого вразумительно компактного зарядного устройства, скажем, для мобильника, с нынешними пьезоэлектриками не сотворить. Даже любопытные "науковеды", разбиравшие пьезоэлектрические зажигалки, могут подтвердить: электричеством такой пьезоэлектрик может тряхнуть ощутимо, напряжение на выходе получается впечатляющее. К примеру, всего лишь один кубический сантиметр кварца при правильно приложенной силе способен выдать разряд до 12500В. Другое дело что ток при этом получается плачевно мизерный, ни о каком ощутимом процессе заряда аккумулятора или питания электрической схемы говорить не приходится. Даже если вы будете методично колотить пьезоэлементом об стенку, не говоря уж о потенциале "зарядочной энергии" от звука вашего голоса. Есть ли в вашем распоряжении полгектара под танцпол, под которым установлены тысячи условных "пьезозажигалок"? Это вряд ли.
Пьезоэлектрики
Совсем другое дело когда речь идёт о наномасштабах. Пьезокерамические резонаторы, масштабированные до единиц и десятков нанометров, вполне сносно могут справиться с ролью источника энергии для соответствующих масштабов электронных схем и даже с зарядкой батарей для такой электроники. Учёным из Texas A&M University опытным путём удалось установить параметры, при которых достигается максимальный эффект генерации электричества. Для этого, во-первых, необходимы специфические пьезорезонаторы, созданные из PZT-материала (Perovskite lead zirconate titanate) – так обычно называют целое семейство сегнетоэлектрических композитных керамик с общей формулой (Pb[ZrxTi1-x]O3 0Пьезоэлектрик
Наконец, в-третьих, максимум пользы от таких резонаторов – 100% прирост энергии, достигается при определённой их форме, а именно форме консольной балки. Хотя, в настоящее время уже известны примеры, когда при определённом сочетании специально подогнанных по форме поперечных сечений прирост энергии достигает 200%.
Пьезоэлектрик
Согласно же теоретическим выкладкам, эффективность генерации электричества при соблюдении выше указанных параметров может возрастать троекратно.
Пьезоэлектрик

Глубже "копать" теоретические выкладки новоявленной идеи флексоэлектрического питания электроники будущего в рамках этой статьи научно-популярного направления вряд ли есть смысл, благо с подробностями всегда можно ознакомиться в оригинале статьи, найдя её по названию. Мне же представляется целесообразным под конец изложения фактов немного пофантазировать о возможных способах применения потенциально полезной, но пока совершенно некоммерческой технологии. Кстати, журналистам идею использования звуковых волн для питания мобильников подкинул сам профессор Кагин. Цитата из его выступления в вольном переводе на русский язык выглядит примерно так: "Даже изменений формы, вызываемых звуковыми колебаниями… может быть достаточно для питания нано- и микроэлектронных приборов в будущем, при условии производства этих материалов специально для таких нужд". Соответственно, идея самонадевающихся штанов… простите, самозаряжающейся электроники – вроде мобильников с зарядкой от голоса, выводится из этой фразы любым более-менее подкованным журналистом за пять минут. На практике же мне представляется весьма отдалённым то будущее, в котором портативная бытовая электроника вроде мобильных телефонов, коммуникаторов или даже ноутбуков сможет получать достаточное количество самозарядной энергии от пьезоэлектрических генераторов на основе наноструктур для питания или хотя бы зарядки аккумулятора. Не хотелось бы выглядеть законченным пессимистом, но к этому, скорее, в настоящее время не готова не столько "сыроватая" технология пьезоэлектрических генераторов, сколько… современная электроника, слишком прожорливая для такого способа питания. На "сближение" наноэлектроники и наногенераторов я бы отвёл, пожалуй, десятилетие-другое: глядишь, и гаджеты за это время обретут достаточную вычислительную мощь при энергопотреблении в сотни микроампер – десятки миллиампер, да и продольно-поперечные наноэлектрические "балки" превратятся в многослойные объёмные массивы с возможностью генерации чего-нибудь кроме наноампер. Вот тогда я бы с удовольствием взял в поездку ноутбук будущего с такой батареей. Нет, кричать в микрофон для зарядки батарейки – увольте, пусть энергию "настукивает" поезд, мирно перестукивающий по рельсам километры, глядишь, к утру и "настукает" на пару-тройку часов работы. Разумеется, если к тому времени традиционные рельсы не заменят скоростными бесшовными трассами. А заменят – так будем летать самолётами, которые при всём желании не перестанут в обозримом будущем издавать многодецибельный шум. Или придумаем что-то ещё. Если же без шуток, мне представляется более реальным будущее таких генераторов энергии применительно к военным нуждам. Помните, пару месяцев назад мы писали в статье IT-Байки: Полевой наногоспиталь в микросхеме о перспективах автономных миниатюрных диагностическо-лечебных комплексов, чуть ли не зашитых в предплечье солдата? Именно в составе таких автономных систем, без внешнего вмешательства собирающих показания датчиков, ставящих диагноз, синтезирующих и вводящих лекарства до оказания медицинской помощи в стационарном госпитале в первую очередь и потребуются автономные и "вечные" генераторы энергии. Такие же генераторы могут найти применение в любой другой военной экипировке бойца – от питания рации и прибора ночного видения до датчиков обнаружения взрывчатки и встроенных автоматических переводчиков с одного языка на другой. Тем более что в зоне военных действий вибраций и шумов всегда хоть отбавляй, а энергию при этом можно собирать пьезоэлектрическими генераторами, настроенными на шаги или даже перемещение одних элементов одежды или экипировки относительно других. Теперь представьте себе огромный список датчиков гражданского назначения, устанавливаемых в различных труднодоступных местах и применяемых для детектирования изменения свойств различных газов, жидкостей, твёрдых материалов и поверхностей. С подобными генераторами они будут "вечно" заряжены и всегда готовы сигнализировать об опасности или изменении условий. Иными словами, идей использования новой технологии множество, и совсем не обязательно задаваться самоцелью в обязательном порядке реализации идеи-фикс – питания и зарядки сотового телефона от собственного голоса. Иначе получится так же смешно как с самонадевающимися штанами. Хотя, и автономные штаны, и самозарядный мобильник при определённом угле зрения на вопрос не так уж плохи… Источники: Ссылки по теме:
- Обсудить материал в конференции


 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥