Бытует мнение, что смартфон занятого человека за год съедает больше электроэнергии, чем холодильник. Но это не значит, что как только уровень заряда батареи падает до минимума, смартфон нужно ставить к стене на место холодильника.

Беспроводное питание уже в пути, скоро оно обязательно придет к нам. Энергия окружает нас повсюду, но большая ее часть так и утекает неиспользованной. Ученые и инженеры уже смогли максимально близко подойти к тому, чтобы найти способ собирать энергию из окружающей среды и даже из нас самих. Например, путем превращения излишков тепла в электричество или из чехла, способного поглощать энергию вибрации во время ходьбы, или из езды на автомобиле.

Сейчас речь идет не о беспроводной зарядке, а о возможности собирать энергию из окружающего нас мира. Вместо того, чтобы занимать гектары полей солнечными панелями или устанавливать стометровые ветряные установки, инженеры пытаются найти энергию в температурной разнице, вибрации внешней среды или ходьбы человека. Это сложная задача и для инженеров, и для разработчиков мобильных устройств, ведь подобные новшества не должны вносить помехи в нашу повседневную жизнь.

Да, уже есть такие устройства, но самые серьезные открытия делаются сейчас в лабораториях. Сегодня мы поговорим о некоторых многообещающих способах по обеспечению питания мобильных устройств, над которыми сегодня трудятся ученые со всего мира.

Термоэлектричество

Одежда из термоэлектрических материалов будет вырабатывать энергию в течение всего дня. Электроны будут бегать от теплого к холодному, создавая ток. Переходя с одного металлического проводника на другой, ток будет генерировать заряд. Подключите к месту перехода кабель, и у вас будет электричество.

Тело человека — постоянный источник тепла. Еще в 2010 году мобильный оператор Orange показал Power Wellies (резиновые сапоги) — самые обычные грязевые сапоги с термоэлектрической вставкой в подошве для зарядки мобильных телефонов. А вот Vodafone в 2013 году продемонстрировал спальники и шорты с термоэлектрическими карманами. В Orange говорят, что каждые 12 часов ходьбы в этих сапогах дают 1 час работы батареи. Карманы Vodafon'a дают полчаса разговоров по мобильному телефону на каждые 8 часов, проведенных в спальнике.

Теперь о трудностях, которые нужно преодолеть. Сбор тепла и превращение его в электричество с использованием термоэлектрики - дело достаточно легкое, а вот сам процесс остается малоэффективным. Собрать получается пока не более 20 процентов тепла. Но и это - не самая большая проблема. Дело в том, что величина заряда, получаемая термоэлектриками, тем больше, чем больше разница температур. Поэтому если температура окружающего воздуха близка к температуре тела человека, то поток вырабатываемой энергии превратиться в очень тонкую струйку.

Теперь о потенциале этой технологии. С учетом низкого предела энергии, отдаваемой за один раз, термоэлектричество вряд ли можно назвать лучшим источником энергии. Оно может подойти для использования во встроенных медицинских датчиках, а фитнес-тренерам может позволить работать бесконечно. Один из многообещающих термоэлектрических материалов называется Power Felt - ткань, созданная в Wake Forest University в штате Северная Каролина. Эта ткань сделана из переплетения углеродных нанотрубок и пластиковых нитей, она отлично подходит для шитья полноценной одежды. И если ученые смогут избавиться от лишних проводов, то термоэлектрическая одежда, покрывающая большую часть тела, сможет собирать достаточно тепла, чтобы данная технология могла стать востребованной.

Пьезоэлектричество

Если сжать, потрясти или как-то по-другому воздействовать на некоторые материалы, в первую очередь это касается кварца, то они создают электрический заряд. Воздействие должно вызывать в этом материале колебания только определенной частоты.

В настоящий момент такая технология уже нашла свое применение в устройствах с низким потреблением энергии. Например, дистанционный пульт управления от Phillips и Arveni. Инженеры уже с оптимизмом смотрят на использования пьезоэлектрических устройств в мобильной индустрии. Но нынешние доступные материалы все еще не могут собирать достаточно энергии, чтобы питать мобильные устройства. Есть даже патент на пьезоэлектрическую клавиатуру, который был зарегистрирован еще в 1989 году. Но до тех пор, пока не будет найден способ увеличить количество энергии, нам не видать ноутбуков, которые заряжаются от нажатий по клавишам.

Главная проблема этой технологии заключается в том, что пьезоэлектрические материалы плохо удерживают точную частоту, на которую их следует настроить. Некоторые керамические материалы способны работать с колебаниями более широкой полосы частот, но они очень хрупки и поэтому не подойдут для мобильных устройств, особенно для гибких.

Но есть один выход, который заключается во внесении изменений в структуру материала, что могло бы сделать его гибкими. Доктор Xudong Wang из University of Wisconsin уже создал губкообразный пьезоэлектрик, размер которого можно подстроить под любое устройство. Мобильное устройство, обернутое этим материалом, можно будет заряжать прямо на приборной панели автомобиля. «Вес батареи давит на мобильный телефон, заставляя его вибрировать, — объясняет он, — так мы решаем проблему с работой на резонансной частоте».

Биомеханическая энергия

Биомеханические устройства используют движения тела человека, чтобы приводить в движение миниатюрные генераторы. Например, можно использовать силу наших коленей, когда они сгибаются и выпрямляются во время ходьбы.

Пока в продаже нет ни одного биомеханического устройства. В то же время военные уже используют коленный брекет PowerWalk компании Bionic Power. Компания-разработчик утверждает, час один час ходьбы с надетыми на обе ноги брекетами позволит зарядить полностью четыре мобильных телефона. Даже не нужно напрягать воображение, чтобы представить себе, какой популярностью будет пользоваться это устройство у людей, любящих вылазки на природу и активный отдых.

Велосипедные динамо технически, например, не считаются биомеханиками, но они существуют уже десятки лет и используются для питания фар велосипедов. А недавно несколько компаний показали специальные USB-адаптеры для велосипедов, позволяющие заряжать мобильные устройства во время езды.

Биомеханические сборщики энергии действительно способны генерировать большое количество энергии, но выглядят они очень грубо. Конечно, коленные брекеты со временем будут становиться все меньше и меньше, но ведь их нужно будет еще не забывать одевать по утрам. Фактор неудобства может ограничить сферы применения таких устройств, например, путешествия, езда, спорт или военное дело.

Солнечная энергия

Mobile solar starter kit компании The Chargers: Панель прикрепляется к вашей сумке, а батарея легко умещается в руке. Source: Chargers

Питание солнечной энергией работает, так как есть материалы, которые вырабатывают электрический ток, когда на них падает свет.

Уже сегодня есть десятки способов зарядить мобильный телефон при помощи солнечной энергии. Но все эти способы требуют много времени, выходит, что намного легче найти розетку, чем зарядить свой гаджет от солнечного света. Единственный реальный вариант — панель от немецкой фирмы Chargers. Это устройство стоит дорого, но использует свою внешнюю батарею, которая вмещает столько энергии, что хватит зарядить два мобильных телефона. К тому же устройство легко можно прикрепить к сумке или рюкзаку.

Но есть так называемый предел Шокли-Квейссера — правило физики, которое гласит, что ячейка батареи не может собрать больше 29 процентов солнечной энергии, которая на нее попадает. Размер солнечных панелей для личного использования не позволяет собирать нужное количество энергии даже в самых благоприятных условиях. Само понятие «мобильная энергия» означает, что человек находится в движении, а не ждет, пока зарядится его устройство.

Уже ходят слухи о том, что компания Apple собирается сделать питание iWatch солнечным. В этом году Apple, возможно, представит нам новую сенсацию, доказав еще раз, что она самая инновационная компания в мире.