Спецпроекты

Россияне создали технологию питания гаджетов от человеческого тела

Интеграция Электроника Техника
Отечественные ученые придумали новый тип термоячеек, превращающих тепло в электричество. Они обеспечивают на порядок более высокую мощность по сравнению с аналогами, что позволяет использовать их в качестве источника питания различных гаджетов. Причем для их работы достаточно тепла человеческого тела.

Российские термоячейки

Ученые Национального исследовательского технологического университета МИСиС (НИИТУ «МИСиС») разработали новый тип энергоэффективных устройств – термохимических ячеек (термоячеек), превращающих тепло в электрическую энергию. Об этом говорится в пресс-релизе, опубликованном на официальном сайте университета.

Технология, предложенная российскими специалистами, как ожидается, позволит выпускать компактные элементы питания. Их можно будет размещать практически на любой поверхности – к примеру, на одежде, и использовать для выработки электрического тока за счет разницы в температурах человеческого тела и окружающей среды. Полученную энергию можно будет направить на подпитку различных мобильных устройств.

Работа термоячеек основывается на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека, открытый в 1821 г. немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Seebeck), заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Термоэлектричество в НИИТУ «МИСиС» называют одним из самых перспективных направлений «зеленой энергетики». Серьезным недостатком уже существующих современных образцов термоячеек является их низкая выходная мощность. Это существенно ограничивает область их применения.

misis600.jpg
В России разработаны термоячейки для питания мобильной электроники от тепла человеческого тела

Новые термоячейки, разработанные россиянами, состоят из оксидно-металлических электродов на основе полых никелевых микросфер и водного электролита. Такая комбинация, по словам специалистов, позволяет повысить ток, одновременно снижая внутреннее сопротивление элемента, получив на выходе увеличение мощности в 10-20 раз по сравнению с аналогами – напряжение разомкнутой цепи может достигать 0,2 В при температуре электрода до 85 градусов Цельсия. Кроме того, использование водного электролита снижает стоимость производства и повышает безопасность системы. По словам одного из авторов работы, ведущего эксперта кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Игоря Бурмистрова, был достигнут рекордный (4,5 мВ/К) для водных электролитов показатель гипотетического коэффициента Зеебека (термоэлектрической чувствительности), а также выявлено нетипичное для термоячеек нелинейное изменение вольт-амперных характеристик, обеспечивающее рост коэффициента полезного действия (КПД) устройства.

Устройство и принцип работы термоячейки

Результаты работы российских ученых опубликованы в британском журнале Renewable Energy. В будущем специалисты планируют добиться повышения выходной мощности за счет оптимизации состава электродного материала и улучшения конструкции термоячейки. В перспективе же можно создать суперконденсатор, который бы сохранял в себе заряд длительное время.

К слову, в августе 2019 г. CNews писал о том, что в НИТУ «МИСиС» нашли применение борщевику – опасному сорняку, в изобилии произрастающему на территории России. Как выяснилось, его стебли можно использовать в производстве электродов для суперконденсаторов. Полученные в ходе исследований результаты показали, что, несмотря на растительное происхождение электродов, суперконденсаторы не утратили своих свойств, смогли накапливать заряд в больших объемах и хранить его продолжительное время.

Атомная батарейка

Отечественные специалисты из НИТУ «МИСиС» также смотрят и в сторону других типов портативных источников тока. Так, в августе 2020 г. они продемонстрировали собственный прототип батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.

Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, по сравнению с предыдущими уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

В США тоже заняты разработкой бета-гальванических батарей. К примеру, американская компания Nano Diamond Battery недавно заявила о создании прототипа батареи такого типа, которая якобы может работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов.