Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2010 № 05
Датчики напряжений мачт электропередачи могут использовать в качестве источника питания случайные вибрации самой конструкции. Датчики движения на дорогах — колебания почвы от проезжающих автомобилей. Метеодатчики — разность температур грунта на поверхности и в глубине (температура грунта на глубине нескольких метров почти постоянна). Есть также предложения использовать в качестве источников энергии городской шум или звуки волн прибоя.
В конце 90-х годов прошлого века стали появляться и первые экзотические источники питания. Скажем, экспериментаторы Массачусетского технологического института разработали обувь на основе пьезоэлектрического эффекта. Человек шагает по улице и одновременно подзаряжает свой мобильник.
Еще один вариант — создание пьезоэлектрического вибрационного микрогенератора. В нем используется двухслойная консоль из цирконата-титаната свинца с грузиком на свободном конце, напоминающим ныряльщика на краю трамплина. При сотрясениях грузик раскачивается. При этом, когда консоль изгибается вниз, верхний пьезоэлектрический слой испытывает деформацию растяжения, а нижний — сжатия. В результате один слой получает положительный потенциал, а другой — отрицательный. При изгибе вверх процессы идут с противоположными знаками. А в итоге при колебании массы генерируется переменное напряжение.
Можно также использовать миниатюрные генераторы, главным элементом которых будет подвижный магнит или катушка. Подрагивая на пружине, такой индуктор опять-таки генерирует переменное электрическое напряжение.
Однако с уменьшением размеров подобных конструкций они работают все хуже. Грузик весом в микрограммы уже не столь подвержен воздействию сил гравитации, как, скажем, массивная гиря. Поэтому для создания наномасштабного генератора для питания автономных устройств необходим особый подход. Тогда профессор Чжун Линь Ван предложил использовать наноленты и нанопроволочки, которые получают путем спекания оксидов таких металлов, как цинк, при температурах от 900 до 1200 °C в особой инертной атмосфере.
При тщательном изучении оказалось, что нанопроволочки из оксида цинка представляют собой совершенные кристаллы в форме шестигранной призмы. И когда такие проволочки диаметром от 30 до 100 нм и длиной от 1 до 3 мкм изгибаются под действием внешних причин — случайных вибраций, сотрясений воздуха, — они, словно обычные пьезоэлементы, вырабатывают микроток.
Как мы уже говорили, не обходят вниманием исследователи и термоэлектрические генераторы, работа которых основана на использовании эффекта Зеебека; электродвижущая сила (ЭДС) возникает в контуре, состоящем из двух разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры. Эта ЭДС пропорциональна разности температур между местами контакта проводников. Основанные на этом принципе термопары широко применяют для измерения температур, а теперь могут использоваться и в качестве наноисточников энергии.
А. Нанобатарейка из микроволокон оксида цинка.
В. Схема нанобатарейки.
С. График напряжения в милливольтах.
Наконец, весьма интересным для исследователей оказался тот факт, что ряд не являющихся электроактивными в обычном состоянии материалов начинает проявлять неожиданные свойства при переходе к наноразмерам.
Так, скажем, оксид титана в обычном состоянии имеет весьма незначительное количество ионов лития при комнатной температуре. Однако при переходе в наносостояние ситуация изменяется кардинальным образом. При размере частиц около 15 нм наноструктурированный оксид титана можно использовать в качестве отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторах!
Очень перспективными источниками энергии для устройств с размерами порядка 10-9 — 10-8 м являются и водородные элементы. Так, например, в наноструктуре на основе углеродных нанотрубок с примесью титана оказалось очень удобно хранить водород, атомы которого могут составлять до 8 % от общей массы комплекса.
Конечно, наногенераторы вряд ли когда-нибудь станут постоянными источниками электроэнергии для наших жилищ; ведь даже для питания карманных фонариков их мощность слишком мала. Но системы нанопроволочек могут стать идеальными генераторами для устройств, от которых требуется лишь периодическая работа, например для медицинских сенсоров, которые должны собирать и передавать данные в течение одной секунды раз в минуту.
Связка наногенераторов при изгибе дает ток.
Возможно, в будущем наногенераторы будут преобразовывать энергию, которую теряем в нашей повседневной жизни, например, в результате изменений давления в автомобильной шине, шума и вибраций движущегося автомобиля и даже от давления ветра на стенки походной палатки.
Вообще количество малых источников энергии, которые нас окружают, неисчислимо. Вот, например, вы перелистнули страницу и… выработали при трении бумажных листов электричество, которого хватило бы на полчаса работы, например, датчика уровня сахара в крови.
Публикацию подготовил Я. ГРУШИН
Кстати…
НАНОБАТАРЕЙКИ
Профессор Корнеллского университета (США) Амит Лал по заказу DARPA — военного Агентства перспективных исследовательских проектов — создал нанобатарейку на основе радиоактивного изотопа никель-63. Размер ее с песчинку, то есть не более 1 куб. мм. Период радиоактивного полураспада изотопа составляет около 100 лет.
Как заявил профессор Лал, этот источник энергии не менее полувека сможет давать энергию для питания мобильного телефона, коммутатора или плеера.
Это не единственный источник такого рода. Профессор Квон Чжэ из университета Миссури изобрел атомную батарею размером с цент. Он полагает, что такой источник в миллионы раз эффективнее, чем современные химические источники, которые используются в мобильных телефонах. Что же касается радиоактивной опасности, то она, как полагает ученый, сильно преувеличена. Изотопные источники уже многие годы используются в медицине, на космических спутниках и подводных лодках и прекрасно себя зарекомендовали.
А в университете Тулса создана нанобатарейка толщиной всего 500 мкм. Такой источник, состоящий из 25 000 параллельно соединенных батарей, представляет собой диск, который по диаметру вдвое меньше копеечной монеты.
НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ
Возвращение паровика?
Паровые двигатели, казалось бы, остались в далеком прошлом. Но это не так.
Сегодня уж мало кто помнит, что в начале XX века несколько рекордов скорости было поставлено не только паровозами и пароходами, но и паромобилями. Да и вообще первый в мире механический тягач француза Николя Жозефа Кюньо работал именно на пару и предназначался для транспортировки артиллерийских орудий.
Кюньо тогда не повезло: во время испытаний механик не справился с управлением, паровик врезался в стену и котел его взорвался. И это была первая, но вовсе не последняя авария парового котла, и потому, в частности, паровики не выдержали конкуренции с двигателями внутреннего сгорания. Но некоторое время паромобили все-таки успешно конкурировали с автомобилями и даже ставили мировые рекорды скорости. Так, в 1910 году именно паромобиль первым в мире преодолел рубеж скорости 200 км/ч. Столь быстро в ту пору не летали даже аэропланы…
А чтобы показать преимущества паровой машины перед двигателем внутреннего сгорания, американцы в начале прошлого столетия демонстрировали такой рекламный трюк.
Паромобиль упирали передним бампером в прочную стену, давали полный газ — и колеса крутились на месте, пока не протирались и не взрывались покрышки. Двигателю же подобные перегрузки были нипочем. Более того, паромобиль не имел коробки скоростей, а смена хода с переднего на задний производилась одним движением.
Развести пары тоже было минутным делом. Автоматический котел разогревался всего за минуту, а не за 30–40 минут, как того требовали, скажем, паровозные котлы. И, тем не менее, как сказано, от паровых котлов все же пришлось отказаться из-за низкой надежности.
Р. Стирлинг — один из изобретателей двигателя внешнего сгорания.
Макет двигателя внешнего сгорания и его схема.
Цифрами обозначено: 1 — холодный воздух; 2 — поршень; 3 — горячий воздух.
«Все это уже в прошлом», — уверяет Оливер Меллер, вице-президент немецкой фирмы Enginion, которая недавно продемонстрировала всему миру серьезность своих намерений в отношении пара, установив экспериментальный паровой двигатель нового поколения под капотом автомобиля Idea-Fabia.
