Пеший путь к свету
Уже не первое десятилетие ученые во всем мире ищут новые способы генерации энергии без сжигания топлива. Базовыми технологиями на этом пути уже стали солнечные и ветровые электростанции, но изобретателям не дает покоя мысль об огромных объемах энергии, ежедневно вырабатываемой каждым из нас в процессе обычной ходьбы по улицам. Инновационные разработки уже не первый год позволяют за счет пешеходов освещать улицы, заряжать гаджеты и накапливать энергию в аккумуляторах. Об этом в материале «Энергии Северо-Запада».
Одним из наиболее «раскрученных» проектов «пешей генерации» оказался проект Pavegen. В основу проекта (и на тротуар) легла одноименная плитка, изобретенная 24-летним инженером Лоуренсом Кембелл-Куком. Устройство сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на 5 мм. Движение происходит внутри магнитного поля, так как в самой плитке и в основании размещаются небольшие магниты. За счет преобразования энергии при каждом колебании плитки вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в полимерном литиевом аккумуляторе или сразу идет на освещение улиц, витрин и вывесок, зарядку гаджетов. Основным материалом, используемым при производстве плиток, стали переработанные покрышки, каждый сегмент рассчитан на 20 млн нажатий (5 лет службы) и способен за счет одного шага вырабатывать до 6 Вт, хотя на старте разработок речь шла о микровольтах.
Концепция пьезогенерации (выработки энергии за счет изменения формы) впервые была масштабно реализована в 2008 году, когда в том же Лондоне открылся ночной клуб Club4climate. Танцпол здесь выложили специальным керамическим покрытием, что позволило сократить дневное потребление энергии во всем здании на 60 %. Пришедших на вечеринку пешком или приехавших на велосипеде в экоклуб пускали бесплатно.
Система Pavegen тестировалась во время Олимпиады в Лондоне в 2012 году. Благодаря толпам ходящих туристов за две недели плитки смогли выработать 20 млн Дж энергии. Этого хватило, чтобы держать уличные фонари включенными на полную мощность всю ночь и наполовину — днем. Одного нажатия на плитку достаточно для работы уличного фонаря в течение 20 секунд. Для полной загрузки системы требуется 50 шагов в минуту, но с падением трафика после Олимпиады средние показатели смонтированных в Лондоне систем опустились до 5 нажатий в минуту. При этом 5 % энергии расходуют светодиоды, встроенные в покрытие: они оповещают пешехода об эффективности сделанного шага. Этот психологический нюанс оказался крайне важен, так как позволяет горожанам ощутить сопричастность к экологичной генерации.
Основанная Кембелл-Куком компания Pavegen Systems укладывала «генерирующую» плитку в торговых центрах и на вокзалах не только в Великобритании. Система, смонтированная на одном из вокзалов Франции, за полтора года позволила сэкономить 30 % энергии, тратящейся на освещение. В октябре 2014 года в Рио‑де-Жанейро к мировому футбольному первенству впервые в мире построили футбольное поле, которое вырабатывает энергию во время игры. По всей площади поля было уложено около 200 плиток Pavegen, а вокруг установили солнечные панели. Система позволила полностью обеспечить освещение стадиона во время матча, который открывал легендарный Пеле.
Англичане не единственные, кто занимается исследованиями в области «шаговой» энергии. В 2016 году специалисты Висконсинского университета в Мадисоне (США) представили разработку, основой которой стала древесная плита, делающая технологию доступной — аналогичные системы на базе керамики и металлов обходятся существенно дороже. Часть целлюлозы в напольном покрытии химически обработана, другая — нет. Оба слоя заключены в картон и спрессованы, что позволило 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 10–30 В и способен зажигать до 35 светодиодов.
Сюйдун Ван, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Висконсинском университете:
«Первоначальный тест в нашей лаборатории показывает, что схема выдерживает работу в течение миллионов циклов без каких-либо проблем»
Технология, базирующаяся на тех же принципах, что приводят к формированию статического электричества на одежде, получила название трибоэлектрического наногенератора (TENG). Именно вследствие трибоэлектрического эффекта вырабатывается статическое электричество на одежде. Химически обработанные нановолокна целлюлозы — недорогой способ получения энергии из фактически механического источника, говорят разработчики и указывают, что срок службы их материала не уступает обычному напольному покрытию.
Та же технология применена японской компанией East Japan Railway Company, которая оснастила «плиточными генераторами» пол под турникетами железнодорожной станции. В Лас-Вегасе компания EnCoPlanet установила фонари собственной разработки, которые не требуют подключения к сети и работают за счет солнечных и пьезопанелей, «снимающих» энергию шага. Эти устройства не только освещают улицы, но и раздают Wi-Fi, заряжают телефоны, а также следят за безопасностью благодаря встроенным камерам.
Подобные способы генерации получили название «придорожного сбора энергии» и, по мнению разработчиков, в будущем могут стать значимым элементом городских энергосистем. Каждая функциональная часть внутри такого покрытия состоит из двух материалов с разным зарядом, в том числе и нановолокна целлюлозы толщиной в один миллиметр или даже тоньше. Пол может состоять из нескольких слоев для того, чтобы получить на выходе больше энергии. Эксперты сходятся во мнении, что пока незначительный объем генерации является ключевым препятствием на пути этой технологии. Но разработчики полагают, что TENG уже сейчас может стать значимым дополнением традиционной генерации, а в ряде случаев его применение оправдано уже сейчас (например, внутри зданий, под землей без доступа ветра и солнца).
Но энергия шага может аккумулироваться не только за счет кинетических плит: техники пытаются вмонтировать оборудование не только в пол, по которому ходит человек, но и «дооснастить» самого пешехода, превратив его в ходячий генератор. В конце 2000-х годов ученые из университета Саймона Фрейзера (Канада) разработали наколенные гаджеты, действующие по принципу гибридного автомобиля — при торможении электромотор превращается в генератор, выработка которого накапливается. Пара наколенных устройств позволяла выдавать до 5 Вт, что позволяло одновременно заряжать несколько мобильников, правда, передвигаться с оборудованием не очень удобно — каждое из устройств весило около 1,5 кг.
Макс Донелан, профессор биомедицинской физиологии и кинезиологии в Университете Саймона Фрейзера:
«Многие люди удивятся, узнав, что коленный сустав во время ходьбы получает большую мощность. Мы пользуемся энергией, которая уже производится и тратится впустую».
Помимо ног исследователей также интересует обувь. Аргентинский дизайнер Лола Менса представила генератор-накопитель в виде накладки на язычок кроссовки, содержащую систему наногенераторов и аккумуляторную батарею, устройство позволяет заряжать телефон при ходьбе. В 2014 году звездой интернет-СМИ стал 15-летний филиппинец Анджело Казимиру. Он соорудил генератор для обуви, состоящий из двух пар пьезоэлектрических дисков, которые производят энергию при изгибе стельки. Правда, энергорезультаты этой разработки оставляли желать лучшего: электричества, выработанного после пары часов игры с мячом, хватило для зарядки айпода на протяжении лишь 10 минут, для полной зарядки устройства бегать по полю пришлось бы более 8 часов.
Да, пока энергия пешеходов не может конкурировать с традиционными и даже альтернативными источниками энергии, но настанет время, и мы будем способны генерировать энергию буквально на ходу.