w laboratorium w Massachusetts Institute of Technology (MIT), Sangtae Kim majstrował przy cienkim papierze urządzeniu wielkości znaczka. Kim interesuje się pozyskiwaniem energii od ludzi (choć nie takiej, która zamienia ludzi w baterie w filmie, Matrix). Chce wykorzystać ruchy, takie jak chodzenie i bieganie, do zasilania czujników i gadżetów do noszenia.
„zapewnia nowy sposób pozyskiwania ludzkiej energii”, mówi Kim o swoim prototypowym urządzeniu, które opisał niedawno w artykule współautorskim ze swoim doradcą, prof. Ju Li i innymi naukowcami.
„każdy ruch jest możliwy do zbioru, ale nie chcesz ubrań pełnych kombajnów. Celowałbym w podeszwy butów – tam znajduje się najwięcej energii” – mówi Kim.
pomysł wykorzystania ruchu do wytwarzania energii elektrycznej nie jest nowy, choć jest daleki od powszechnego. Istnieją stacjonarne rowery treningowe z silnikami, które zamieniają spocone treningi na siłowni w energię. Ale przenośne Kombajny energetyczne, które wykorzystują ludzki ruch, nie trafiły na rynek, częściowo dlatego, że jeszcze nie wygenerowały wystarczającej ilości energii, mówi Harry Zervos, analityk z firmą badawczą IDTechEx.
koncepcja energii człowieka jest obiecująca. Wykorzystanie energii, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana, jest atrakcyjne w czasach, gdy plany walki ze zmianami klimatu obejmują zużycie mniejszej ilości energii lub energii o niższej emisji dwutlenku węgla.
Kim jest ukierunkowany na rozwijający się rynek elektroniki użytkowej. Szacuje się, że dostawy elektroniki do noszenia na całym świecie wzrosną z przewidywanego 111 mln urządzeń w 2016 r.do 214,6 mln w 2019 r., według firmy badawczej IDC. IDTechEx spodziewa się, że roczna sprzedaż urządzeń do noszenia wzrośnie z 20 mld USD w 2015 r.do prawie 70 mld USD w 2025 r.
poszukiwanie mniejszych, mocniejszych baterii
urządzenia do noszenia zbieraj i komunikuj dane bezprzewodowo, podobnie jak telefony komórkowe, a wydłużenie żywotności baterii jest jednym z dużych wyzwań technicznych dla projektantów. I podobnie jak telefony komórkowe, są na drodze do stania się cieńszym i bardziej wyrafinowanym. Projektanci urządzeń do noszenia-takich jak Apple Watch, Google Glass i opaski fitness i zdrowotne – poszukują technologii, która mogłaby utrzymać te gadżety na dłużej między ładowaniem. Oznacza to baterie, które mogą zapakować więcej energii do mniejszej przestrzeni lub urządzenia, które w przeciwnym razie mogłyby zapewnić zastrzyk energii bez konieczności podłączania do ściany.
akumulatory litowo-jonowe, które również zasilają większość elektroniki użytkowej, takich jak laptopy, są podstawowym źródłem zasilania dla urządzeń do noszenia. Ale ich wydajność spada, gdy muszą się kurczyć, aby zmieścić się w ciasnych przestrzeniach, według Christine Ho, CEO Imprint Energy, dewelopera baterii w Kalifornii.
„jest to zagadka dla projektantów produktów, którzy zaczynają zdawać sobie sprawę, że muszą myśleć bardziej kreatywnie”, mówi Ho. „Nowe baterie mają możliwość zaspokojenia popytu.”
producenci gadżetów, tacy jak Samsung, eksperymentują z bateriami, które są cieńsze i elastyczne, dzięki czemu można je łatwiej dopasować do urządzeń do noszenia, które owijają się wokół palca, nadgarstka i kostki. Imprint Energy opracowuje ultracienkie i elastyczne baterie cynkowe, które mogą przechowywać więcej energii w danej objętości niż lit, są bezpieczne i nietoksyczne, mówi Ho.
ale te nowe technologie baterii są zwykle drogie i trudne do masowej produkcji. Sprzedaż ultracienkich i elastycznych baterii do urządzeń nadających się do noszenia ma osiągnąć 300 mln USD do 2020 r., mówi Tony Sun, analityk w firmie badawczej Lux Research. Przewiduje, że sprzedaż może do tego czasu wzrosnąć do aż 4 mld dolarów, ale tylko wtedy, gdy te baterie mogą obniżyć cenę do poziomu baterii litowo-jonowych. Wymagałoby to znacznych inwestycji w przełomowe rozwiązania techniczne, dodaje Sun.
zbieranie energii
pomysł wykorzystania ludzkich ruchów przyszedł do Kim pewnej nocy w grudniu 2013 roku, kiedy otrzymał e-mail od Li, który właśnie uczestniczył w spotkaniu naukowców zajmujących się materiałami, gdzie rozmowy na temat baterii litowo-jonowych obejmowały dyskusję na temat stresu na baterii. Nacisk na baterię litową zmienia napięcie i zmniejsza pojemność baterii. Ale co, jeśli można włączyć ten stres na korzyść?
„to był dwu zdaniowy e-mail, który całkowicie mnie obudził”, wspomina Kim. „Potem zacząłem projektować to urządzenie. Zbudowanie go zajęło mi rok, a kolejny rok, aby w pełni zrozumieć, co robi. Chcieliśmy się upewnić, że to nie efekt uboczny.”
Kim wymyślił urządzenie o podobnej strukturze jak bateria: dwie przewodzące elektrody oddzielone ciekłym elektrolitem. W przeciwieństwie do akumulatora, Kombajn energetyczny używa tego samego związku, mieszanki litu i krzemu, dla obu elektrod. Powoduje to efekt volleyingu, gdy stosuje się stres fizyczny.
ciśnienie zmusza jedną elektrodę do wyplucia jonów litu i w tym procesie zaburza równowagę, która powoduje, że druga elektroda otwiera się i akceptuje odrzucony lit. Elektrolit zmusza je do rozdzielenia na jony litu i elektrony. Elektrony podróżują przez obwód i zostają wychwycone jako elektryczność. Elektrony następnie spotykają się z jonami litu na drugim końcu i przenoszą się do elektrody.
Unbending urządzenie usuwa stres i powoduje, że elektrony i jony litu poruszają się w innym kierunku. To odwrócenie powoduje kolejny przepływ prądu elektrycznego, zanim oba powrócą do pierwotnej elektrody.
prototyp Kim nie generuje jeszcze wystarczającej ilości energii elektrycznej do noszenia. Mówi, że musi zwiększyć jego wydajność – procent energii mechanicznej, która zostaje zamieniona na energię elektryczną-od 0.6% do 6%, aby był wystarczająco mocny dla urządzeń takich jak opaski na rękę.
zwiększenie wydajności energetycznej i żywotności kombajnu energetycznego będzie kluczowe dla popularyzacji jego wykorzystania, mówi Kevin Lloyd, współzałożyciel i szef technologii w kalifornijskim Whistle Labs, który opracował obrożę dla zwierząt opartą na GPS do śledzenia lokalizacji, zdrowia i innych działań twojego futrzastego przyjaciela.
„kiedy przyglądamy się budowaniu urządzeń nadających się do noszenia, równoważymy naukę, żywotność baterii i koszty”, mówi Lloyd. „Nie chcesz zdejmować obroży swojego zwierzaka, aby ładować ją codziennie. Kiedy jesteś na wakacjach przez jeden lub dwa tygodnie, chcesz, aby trwało to przez cały ten czas.”
kolejna przeszkoda w działaniu kombajnu energetycznego: ruchy naszego ciała nie są przewidywalne ani spójne, co utrudnia generowanie niezawodnej ilości energii w danym momencie, mówi Ho.
zmierzenie się z wyzwaniem zaprojektowania jego badań nad gadżetem do noszenia będzie ważne, przyznaje Kim, dodając, że słyszał już od kilku firm, w tym producentów inteligentnych zegarków i urządzeń medycznych, które są zainteresowane włączeniem procesu zbierania energii.
„ale najpierw musimy uczynić tę technologię bardziej dojrzałą, zanim pomyślimy o jej komercjalizacji”, mówi.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragrafy}} {{highlightedText}}
{{#choiceCards}}
{{/choiceCards}}
- Udostępnij na Facebooku
- Udostępnij na Twitterze
- Udostępnij przez e-mail
- Udostępnij na LinkedIn
- Udostępnij na WhatsApp
- Udostępnij na Messenger