Кинетическая энергия всегда вокруг нас, а солнечная энергия — нет

В устройствах с низким энергопотреблением, таких как носимые устройства или устройства для отслеживания животных, вся необходимая энергия может быть получена за счет кинетической энергии. Например, часы могут приводиться в движение крошечным маятником, раскачивающимся внутри них и генерирующим достаточную мощность для движения крошечных стрелок и преодоления трения в механизме часов. Даже офисный работник, сидящий за столом, может обеспечить всю необходимую энергию простым движением запястья. Батарейка в этом случае не нужна.

Rolex Perpetual, впервые представленные в 1931 году, имели автоподзавод. Они снабжались энергией от маятникового устройства. Может ли такое устройство использоваться где-либо еще? Изображение: Rolex

Устройство автоподзавода, запатентованное в Лондоне в 1780 году, впоследствии стало источником энергии для некоторых из лучших швейцарских часов, в том числе Rolex Perpetual, выпущенных в 1931 году. Несмотря на всю гениальность этого устройства, с появлением кварцевых часов часы стали работать на батарейках. Кварцевые часы были более точными и стоили намного дешевле, чем швейцарские часы, с автоподзаводом или без него.

Европейский зубр с GPS-ошейником производства VECTRONIC Aerospace, снабженным аккумулятором, срок службы которого составляет 4 года.
Изображение: Rewilding Europe

Отслеживание животных — это совсем другая история, но с похожей проблематикой. Устройства слежения за животными должны иметь постоянный источник питания, который не может обеспечить ни одна батарея. Именно батарея в трекере для животных является фактором, ограничивающим его полезность. Животное можно отслеживать только до тех пор, пока аккумулятор заряжен. После этого исследователь должен найти животное (пожелаем ему удачи в этом, поскольку трекер больше не работает), ввести ему успокоительное и заменить батарейку в его трекере. Не самое веселое времяпровождение для обеих сторон. Для всех было бы лучше, если бы усыпление делалось только один раз.

Для отслеживания животных напрашивается применение маятникового устройства, подобного тому, которое используется в часах с автоподзаводом. Дикое животное обладает избытком кинетической энергии, и ее можно использовать для питания трекера.

Современные носимые устройства, такие как спортивная одежда, оборудованная датчиками, могут легко управляться движениями спортсмена. Почему бы не использовать гибкую подошву беговой обуви для питания встроенного микропроцессора вместо батареи? В этом случае генерируется тепловая энергия. Один слой одежды, скользящий по другому, также может дать полезную энергию.

В статье «Сбор энергии для носимых технологий набирает обороты» (IEEE Spectrum, январь 2024 г.) (“Energy Harvesting for Wearable Technology Steps Up” (IEEE Spectrum, January 2024)) говорится об исследователях, которые вместо батарей используют энергию, доступную носимым устройствам. Более современные устройства, чем маятник, а именно пьезоэлектрические и трибоэлектрические генераторы, могут использовать энергию «ударов, прыжков и шагов, создавая совсем небольшие, но все же полезные струйки тока», пишет Джулианна Пепитон.

Вэй Гао из Калифорнийского технологического института разработал «электрическую кожу», которая считывает частоту сердечных сокращений, температуру и другие биометрические данные. В первый раз она была сделана из резины. Очевидно, что в такой «коже» будет слишком жарко, но так и было задумано. Лактат в поте пользователя, образующий пируват в сочетании с кислородом, по сути, представляет собой биотопливо, сжигаемое в мини-топливном элементе для зарядки конденсаторов в электронной коже. В следующей версии электронной кожи резина и топливные элементы были заменены слоями тефлона и полиамида, которые скользили друг по другу, создавая статическое электричество. Его было немного (0,94 милливатт), но вполне достаточно. Следующий проект Гао использует солнечную энергию и 3D-печать для создания миниатюрных компонентов электронной кожи.

Концепция трекера Kinefox для дикой природы была разработана исследовательской группой из Института Макса Планка Копенгагенского университета. Изображение: ResearchGate

В трекерах для животных, находящихся в природных условиях, и устройствах мониторинга чаще всего используется солнечная энергия. Однако солнечная энергия меняется в течение дня и сезона, и она малопригодна для отслеживания ночных животных. И, как указывает IEEE Spectrum, установить солнечную панель на бизона может быть сложно.

Исследователи из Института Макса Планка при Копенгагенском университете, вдохновленные маятниковым устройством, впервые использованным в часах с автоподзаводом, создали устройство слежения с его современным эквивалентом — микрогенератором, разработанным специально для носимых устройств, под названием Kinetron MSF32. В сочетании с литий-ионным конденсатором, специальным GPS-трекером института и маломощным передатчиком Sigfox он получил название Kinefox.

Но это устройство оказалось неудачным. «Первый ошейник, который мы надели на бизона, сразу же вышел из строя, — рассказал один из исследователей. — Это ведь 900-килограммовые животные». Команда надеется добиться большего успеха с носимыми устройствами для людей, которые будут нежнее обращаться с прибором.

Kinefox продается за 270 евро — это гораздо меньше, чем цена в 3500–4000 евро, типичная для коммерчески доступных трекеров.

Результаты исследований по использованию кинетической энергии для питания носимых устройств также могут найти применение в устройствах непрерывного мониторинга в удаленных или недоступных местах, где замена батареи является сложной задачей.