Ученые из Висконсинского университета в Мадисоне придумали простой и недорогой способ преобразования ходьбы в полезную электроэнергию. Сюйдун Ван и его коллеги изобрели материал, который генерирует электричество, когда люди наступают на него.
Новый метод находит хорошее применение такому волокнистому полуфабрикату, как древесная масса. Перетертая древесина, которая уже находится в напольном покрытии, частично изготовлена из нановолокон целлюлозы. Они представляют собой крошечные волокна, которые после определенной химической обработки способны формировать электрический заряд, когда вступают в контакт с необработанными. Сюйдун Ван, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Висконсинском университете в Мадисоне и его аспирант Чуньхуа Яо опубликовали свою работу в Nano Energy 24 сентября.
Когда нановолокна встроены в пол, они могут генерировать электроэнергию, которая включает фонари и заряжает аккумуляторы. Поскольку древесные массы – дешевые, широко распространенные и возобновляемые отходы многих отраслей промышленности, новая технология может быть так же доступна, как и обычные напольные материалы.
Чтобы сделать это, исследователи извлекли нановолокна целлюлозы из древесной массы и разделили их на два слоя, один из которых химически обрабатывали, чтобы сделать положительно заряженным. Затем они заключали оба слоя в картон и прессовали их, чтобы получить жесткую доску.
Под давлением ноги, два слоя целлюлозы вступают в контакт и обмениваются электронами. Когда нога поднимается, электроны возвращаются, но проходят через внешнюю цепь, вырабатывая энергию. Один шаг на такую поверхность генерирует от 10 до 30 вольт и способен зажигать 35 зеленых светодиодов.
Существуют и другие аналогичные материалы для генерации «шаговой» энергии – керамика и металлы. Но они либо дорогостоящи, либо непригодны для повторного использования, либо непрактичны для применения в крупных масштабах.
В течение многих лет научно-исследовательский центр Вана тестировал различные материалы, чтобы максимизировать достоинства технологии, названной трибоэлектрическим наногенератором (TENG). Именно вследствие трибоэлектрического эффекта вырабатывается статическое электричество на одежде. Химически обработанные нановолокна целлюлозы – простая, недорогая и эффективная альтернатива для использования этого широко распространенного механического источника энергии.
Ученый верит, что технология TENG может быть легко внедрена во все виды напольных покрытий, как только она будет готова к продаже. Команда Вана теперь планирует построить и протестировать прототип в кампусе Висконсинского университета в Мадисоне в местах с большим потоком людей. В конечном счете они собираются предложить использовать «зеленые» половицы на вокзалах и в торговых центрах, где они могли бы питать фонари и датчики.
Результат команды Висконсинского университета в Мадисоне является последним достижением в области исследования природосберегающей и возобновляемой энергии, названной «придорожным сбором энергии». В некоторых ситуациях он мог бы составить конкуренцию солнечной энергии, так как не зависит от ясной погоды. Исследователи, которые изучают «придорожные» методы сбора и преобразования побочной энергии, рассматривают землю в качестве богатого, возобновляемого источника энергии, несмотря на ограниченные запасы ископаемого топлива.
«Ученые много работали над сбором энергии от деятельности человека. Один из способов заключается в том, чтобы построить что-то, чтобы поместить туда людей. Другой способ состоит в том, чтобы построить что-то, к чему у людей есть постоянный доступ. Земля является наиболее подходящим местом» — рассуждает ученый.
Если использовать эту технологию в местах интенсивного движения людей, например, на стадионах или в торговых центрах, мы получим значительное количество энергии. Каждая функциональная часть внутри такого покрытия состоит из двух материалов с разным зарядом, в том числе и нановолокна целлюлозы толщиной в один миллиметр или еще тоньше. Пол может состоять из нескольких слоев для того, чтобы получить на выходе больше энергии.
«Первый тест в нашей лаборатории показал, что технология работает на миллионах циклов без каких-либо проблем, — говорит Ван. Мы не конвертировали эти цифры в сроки службы настила, но я думаю, что с надлежащей конструкцией TENG легко переживет его (настил)».
Несмотря на все явные преимущества экологичной технологии, некоторые ученые скептически отнеслись к разработке Вана. Алистер Спроул из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее считает, что по сравнению с другими источниками возобновляемой энергии новый материал дает на выходе совсем небольшое количество энергии. «Если вы хотите привести общество в действие и сделать вещи эффективными, отправляйтесь за солнечной или ветровой энергией» — заявляет он.
Ван считает, что энергия шагов может служить дополнением к солнечной. «Концепция заключается в генерации электроэнергии из энергии, которая могла быть потрачена впустую. Она работает внутри зданий или под землей, куда солнечные лучи не проникают или их слишком мало» — отмечает он.
Теперь команда во главе с Ваном попытается доказать, что новые доски долговечны и экономически эффективны. Стоимость производства «энергетических» досок практически не отличается от обычных. Однако необходимы дополнительные расходы на замену существующего покрытия и установку нового.
«Наша технология не может заменить сбор солнечной энергии. Но мы считаем, что ее использование в качестве дополнения будет наиболее рентабельным по сравнению с другими технологиями, получающими энергию из шагов».
Комментарии (41)
usblexus
27.10.2016 22:59+2>генерирует от 10 до 30 вольт и способен зажигать 35 зеленых светодиодов
А почему именно зеленых? С карсными например это работает как-то по другому? А можно просто в мВт?ittakir
28.10.2016 05:40+1Зеленый светодиод экстремально экономичен. Горит, потребляя микроамперы. Я пробовал подключать конденсатор 470uF к нему, он горел ярко секунд 30, затем еле светился еще минут 5!
GAZ69
28.10.2016 10:24На разных цветах светодиодов — разное падение напряжения, на красных 1,6-2 В, на зеленых 2,2-3,5 В. При одинаковом токе, разница затрачиваемой энергии будет пропорциональна разности падения напряжения. Самые большие падения напряжения для белых, фиолетовых и ультрафиолетовых светодиодов до 4,4 В.
GennPen
27.10.2016 23:07> Концепция заключается в генерации электроэнергии из энергии, которая могла быть потрачена впустую.
Когда человек шагает — он тратит энергию на перемещение, никуда он впустую ее не расходует.
Если уж делать подобные устройства, но нужно делать что-то вроде экзоскелета с генераторами. Захотел получить возможность подзаряжать свои устройства на ходу тратя свои силы — надел подобный экзоскелет. А тратить свои силы(пусть даже совсем немного) не очень то и хочется без моего ведома.lizard_hermit
28.10.2016 10:24никуда он впустую ее не расходует.
Ходьба крайне неэффективный процесс, мы по сути пинаем землю, так что все наоборот.
SquareIronBox
28.10.2016 17:03На перемещение энергия не тратится. А вот на разгон, торможение, сопротивление воздуха, сопротивление качения, нагрев воздуха и контактирующих предметов…
ru_vlad
27.10.2016 23:18А можно еще генератор в доводчик двери встроить ;)
Конечно много электро энергии не получится, но на подсветку входа может хватит.
goricvet
28.10.2016 03:11+1Я всё мечтаю о детской комнате с агрегатами, вырабатывающими энергию. Где-то можно нажать, где-то дернуть, потянуть, прыгнуть. У маленьких детей куча энергии, которую родители должны каждый день истратить, чтобы ребенок нормально спал. Почему бы эту энергию не аккумулировать?
alexmeloman
28.10.2016 10:10Люди двигаются все меньше и меньше. Сейчас уже не то что дрова рубить, пылесосить не надо. не удивлюсь, если лет через 20 летать в ступах будут. А значит, вырабатывать энергию при ходьбе будут все меньше и меньше.
Вот если бы энергия вырабатывалась от проведения пальцем по экрану планшета и тыкания в него пальцем)enthusasist
28.10.2016 11:37Такие концепты есть уже много лет, только до реализации похоже пока ещё не дошли.
http://mobbit.info/item/2011/5/24/planshet-zaryazhaustciisya-ot-prikosnovenii-pal-cev-koncept
dmitry_ch
28.10.2016 11:32Совсем чтобы бесплатно здесь энергии не будет. Гнущееся покрытие потребует от человека чуть больше усилий, и, пропустив эти «лишку» через свой КПД, выдаст на-гора сколько-то там электричества.
Да и представить себе ходящие под ногами полы можно не везде. Скажем, в младшей школе даже забавно, дети все равно носятся, избыток энергии сбрасывают, им ходящие под ногами полы будут в забаву (а школе — на пользу), но вот учителя той же школы могут и не быть рады. А в торговом центре, где народа масса, могут быть и жалобы со стороны инвалидов, например, которым станет труднее ходить.
Так что идея хороша, теперь понять, как ее полезно использовать.SquareIronBox
28.10.2016 17:05Полы всегда немного да прогибаются) Собственно, часто их специально делают податливыми ради шумоизоляции.
Tachyon
28.10.2016 12:50«Один шаг на такую поверхность генерирует от 10 до 30 вольт и способен зажигать 35 зеленых светодиодов. » Увеличить износостойкость материала и использовать как покрытие пола в каком нибудь терминале аэропорта или вокзала с освещением помещения за счёт блуждающих по залу посетителей.
isden
28.10.2016 12:59Или как аварийные указатели в коридорах и т.п. — зашел в темный коридор, конденсатор от первого шага зарядился и зажег ленту-указатель.
Zenitchik
28.10.2016 17:27Я что-то не догнал, вот выработался у нас заряд на некоторой площади нано-ДВП, а снимают-то как?
kahi4
Новому способу всего 130 лет.
Это так не работает. Либо электроэнергии будет совсем крошки, либо вы пробовали ходить по матам и прочему? Устаешь достаточно быстро, а электроэнергии это не создаст достаточно даже ардуино запитать.
GrishaTav
Нет, этому способу всего 34 года, посмотрите клип Майкла Джексона «Billie Jean», там это доступно показано:)
А если серьезно, то лично я предпочту идти по подсвеченному пружинящему настилу, чем в полной темноте. И если это будет действительно дешево и надежно, то применений будут миллионы.
kahi4
Вот у меня есть сомнения. Во-первых, когда я узнал про пьезоэлементы — первое, куда я захотел их влепить — был пол. Вряд ли я, Сюйдун Ван и те ребята, которые хотели ими автодороги устилать, единственные кто до этого додумались. Видимо, есть какие-то нерешенные проблемы.
Во-вторых — либо у него чудо-раствор со сверх-проводимостью, либо сопротивление будет настолько большим, что диоды для подстветки конструктивно не получиться нормально запитывать. Проводящее электричество дерево — это серьезно. Вообще если оно начнет хорошо проводить электричество — утилизировать такой раствор на пол — глупость, найдутся и более значимые приминения.
Ну и в-третьих: остановились на секунду — подсветка пропала. Чудесно.
WolWer1nE
Никто не запитывает напрямую от таких штук. Используются устройства накопления энергии. Поэтому можно и остановиться.
Насчет дерева не знаю, но с пьезоэлементами достаточно давно и очень активно работают в этом направлении. И у некоторых получается, причем не только под пол для ходьбы, но и под дорогу. (Израиль, 2009, например). Проблем много, конечно, в частности, деградация материала со временем.
p_fox
Насчет нерешенных проблем, первое что приходит на ум — стоимость такого пола. Большое количество пьезоэлементов, проводов, светодиодов… А так же под вопросом долговечность такой конструкции.
А насчет «остановились на секунду — подсветка пропала», можно добавить в схему накопители (аккумуляторы, конденсаторы), которые смогут несколько секунд держать подсветку без генерации от пола.
upsilon
А кто-то пытался вырабатывать энергию из матов? :)
Alexsmt
Тепловая идет в комплекте и помогает согревать неотапливаемый спортзал.
upsilon
Тогда и на ардруину хватит
hdfan2
В России это был бы неисчерпаемый источник энергииНеправильно понял вопрос.RusikR2D2
сейчас это легко можно преподнести как помощь в борьбе с ожирением. Полы не только вырабатывают свет, но и нагружают ваши мышцы…
kahi4
Лучше сразу за динамомашину посадить. И энергии больше, и для здоровья полезнее.
lex_infohunter
Припоминаю виденный в музее агрегат для обработки зерна. Что-то вроде мельницы. Лошади бегают по кругу, а внутри все крутится и работает. Чем не возобновляемая технология?)
Сарказм если что, ага.
edogs
Во-первых, Вы же не в железных сапогах ходите, не так ли? Значит сжатие/растяжение все равно есть, вопрос какую энергию это вырабатывает и куда оно уходит… Так что при ходьбе энергия все равно вырабатывается (тепло то же), вопрос какая и что с ней дальше происходит.
Во-вторых, Вы явно переоцениваете питание нужное для ардуины. На обычную ходьбу если мы правильно помним уходит около 60вт, ардуино кушает меньше 0.1вт, тут не только хватит запитать, тут вряд ли Вы вообще что-то заметите с точки зрения отъема энергии.
В-третьих, далеко за примером ходить не надо, есть кроссовки светящиеся от ходьбы.
etho0
Разве кроссовки от ходьбы светяться? Во всех что я видел електричество было от батарейки.
edogs
Те что светятся как новогодняя елка безусловно с батарейками, но почему-то были уверены что у asics модели без батареек.