На днях я задумался: а ведь человек весит достаточно много, и во время ходьбы этот вес, практически не используется, хотя мог бы приносить некую пользу, например, вырабатывать электричество!
Так как я этой темой интересуюсь далеко не первый день, рассмотрим один из весьма интересных вариантов выработки электричества во время ходьбы с использованием веса человека!
Достаточно давно в научных кругах известен вариант генератора, встроенного в подошву, примечательный тем, что может вырабатывать довольно большую мощность, аж порядка 10 Ватт (а авторы нацеливаются уже даже на 10 кВт — очевидно, это уже не для встроенных в подошву систем, а для неких внешних конструкций):
Учитывая весьма неплохую выходную мощность устройства, предположу (так как открытых и явных сведений я не нашёл), что здесь был использован «пневмогидравлический генератор». Вкратце: баллон с газом, на который давит вес – давит, в свою очередь, на жидкость, которая крутит турбину, связанную с электродвигателем напрямую или через повышающий редуктор — сюда прямо просится применить недорогой микродвигатель типа N20 с металлическим редуктором, широко используемый в школьной/любительской робототехнике:
Как генератор эта штука довольно эффективная, но почему «пневмогидравлика»? Не эффективней ли использовать гидравлику в чистом виде?
Дело тут в том, что сжимаемый газ служит пружиной, которая распрямляется (подушка с газом распрямляется) после прекращения сдавливания и обеспечивает обратный цикл, без этого вся система работала бы весьма вяло и надо было бы давить ещё и на другую подушку (дополнительно установить её в систему), чтобы обеспечить обратный переток.
Хотя, судя по видео – они эту вторую подушку, вроде как, установили – видимо, чтобы повысить эффективность – «с одной стороны засасываем, с другой — подталкиваем, помогаем».
Тем не менее, это довольно сложная штука (но эффективная – эффективнее следующего варианта, который будет ниже), и есть другой — тоже непростой, но гораздо более интересный и надёжный вариант генератора — «гидроэлектрический» или «электрокинетический генератор», использующий для работы потоки «ионных жидкостей».
Как эта система работает (в части физики генерации; электронную схему не рассматриваем): в трубках, уложенных в подошве, находится «ионная жидкость».
Ионная жидкость представляет собой токопроводящую жидкость, где в одном случае содержит ионы солей, растворённых в жидкостях, где жидкость выступает в качестве растворителя (например, поваренная соль + вода). Такой тип жидкостей называют растворами.
В противовес им существуют специальные ионные жидкости, которые содержат только ионы, не имеют нейтральных молекул, а для поддержания в жидком состоянии им не требуется растворитель (как в случае раствора из поваренной соли и воды).
Подобные ионные жидкости обладают высокой ионной проводимостью, термостабильностью (вплоть до 400°С, в среднем), практически не испаряются.
В качестве подобных специальных ионных жидкостей могут применяться (например и не только):
- 1-Этил-3-метилимидазолий тетрафторборат
- 1-Бутил-3-метилимидазолий хлорид
В специально отведённом месте в системе трубок располагается модуль с микроскопическими каналами, где каждый канал находится между электродами, плотно прижатыми к концам канала.
Во время ходьбы возникает эффект механического сдавливания трубок, что приводит к перетоку жидкости сквозь эти микроскопические каналы то в одном направлении, то в другом.
При этом протекающая через каналы жидкость создаёт разность потенциалов между электродами, что, соответственно, позволяет генерировать электрический ток для подключённых потребителей (кликабельно):
Микроканальный блок на картинке показан условно, то есть он не обязательно должен быть цилиндрическим — он может иметь квадратное, прямоугольное, овальное и т.д. сечение.
Или, что ещё более интересно — может быть выполнен, например, даже в виде стельки (наступаем на неё, например, пяткой — вырабатывается ток одной полярности, снимаем нагрузку — вырабатывается ток другой полярности; остаётся поставить диодный мост для выпрямления, и готово весьма интересное устройство):
Подумалось, что, наверное, можно было бы окрасить обе стороны микроканального блока в виде подошвы — некой токопроводящей краской (например, распылением краски на основе гибкого после высыхания связующего (самодельной или покупной) с добавлением графита), чтобы создать гибкие электроды на обеих сторонах (вместо стандартных сетчатых/дырчатых). Можно попробовать — если получится, будет весьма технологично и быстро!
При соответствующем подходе (диаметр каналов, их количество, длина (для увеличения длины могут быть изготовлены, например, спиральными), тип жидкости, сила механического давления на жидкость в баллоне), вырабатываемая мощность может быть достаточно существенной (измеряться в ваттах).
Физика процесса выглядит следующим образом. Жидкость, содержащая ионы, протекает в некоем объёме, ограниченном твёрдыми стенками, и вступает с ними во взаимодействие. В результате этого взаимодействия происходит перераспределение зарядов. Если стенки канала, например, изготовлены из диэлектрика, они приобретают отрицательный заряд. Этот заряд начинает притягивать положительные ионы из жидкости. На поверхности стенок формируется двойной электрический слой: с одной стороны располагаются неподвижные отрицательные заряды самого диэлектрика (например, это -ОН группы полимера), а с другой — положительные заряды, пришедшие из жидкости.
Причём, эти приклеившиеся положительные заряды делят условно на «жёсткий слой» и «диффузный слой» — хотя, в реальности (насколько я понимаю, т.к. по идее заряды одного знака не могут удерживаться друг на друге — так как благодаря Кулоновским силам — отталкиваются), они расположены на одной и той же плоскости, просто некоторые заряды «приклеились намертво», а другие могут двигаться, так как прикрепились недостаточно прочно (далее — моё понимание, пусть физики прояснят лучше, если смогут) — т.к. они «лишние» и со стороны диэлектрика их почти нечем удерживать. Некое удержание присутствует, но символическое.
В результате вместе с потоком жидкости уносятся как положительные заряды из диффузного слоя, так и положительные заряды, равномерно распределённые в толще жидкости — но вот эти вторые нам не интересны, так как они «никак не прореагировали с системой».
Насколько я понимаю физику процесса, работает это так (если сказать совсем простыми словами и пускай меня поправят физики, если что): недостаточно сильно прилипшие к поверхности положительные заряды «катятся» по ней, движимые воздействующим на них на потоком жидкости, который как бы «смывает»* их с поверхности в сторону положительного электрода, на котором они и скапливаются.
*Возможно, здесь лучше будет сказать не «поток их смывает», а просто на поверхности накапливается определённый положительный запас зарядов, который начинает вытесняться в сторону положительного электрода; вот этот момент не могу сказать более понятно, поэтому, если кто-то сможет об этом сказать больше, то буду рад!
Теперь представим, что это движение жидкости происходит внутри каналов (см. картинку выше), условно назовём их «соты» (хотя реально их сечение очень мало и может измеряется, например, в микронах), и к блоку из таких каналов плотно прижата единая для всех сетка-токосъёмник — с одной и с другой стороны (итого 2 штуки).
Таким образом, получается, что при протекании жидкости она омывает входную сетку (назовём её «сетка А»), протекает блок из каналов и омывает на выходе вторую сетку (назовём её «сетка Б»).
Так как положительные заряды постоянно уносятся с током жидкости, то со стороны входной сетки (сетка А) образуется недостаток положительных зарядов, в то время как со стороны выходной сетки (сетка Б) накапливается их избыток.
Таким образом возникает перераспределение зарядов, а сами сетки могут выступать, условно говоря, в качестве клемм источника питания!
Какое следствие имеет осознание физики процесса (хотя бы в общих чертах)?
А вот какое: даст понимание того, что взаимодействие зарядов со стенками канала, где протекает жидкость, является критически важным и неотъемлемым элементом конструкции, без которого конструкция работать не будет – не будет происходить разделения зарядов!
Если сказать ещё проще: чем тоньше сечение канала и чем каналов больше, тем больше зарядов удастся собрать (в тонких каналах меньше жидкости протечёт впустую, без отдачи зарядов: относительно «почти все» заряды будут «высосаны» из жидкости и прилипнут к стенкам).
Поэтому, при прочих равных, стремятся изготавливать каналы такого минимально возможного сечения, которого можно достичь с помощью применяемого технического подхода, и при котором применяемая ионная жидкость всё ещё сможет протекать сквозь эти каналы (будет обладать необходимой вязкостью/текучестью).
Поэтому нет абсолютно строгого размера, с которого это «будет или не будет работать» — вопрос только в эффективности работы…
Несколько отвлекаясь от темы: пару лет назад видел эксперимент, где две пластины-электрода положили на пляж и их периодически омывало прибойной волной, а они при этом, синхронно с волной, вырабатывали электричество (регистрируемое мультиметром). Возможно, это можно было бы назвать самым простым проявлением такого эффекта (а может и нет — что скажут физики? :-) )
Очевидным плюсом такого устройства является его крайняя простота, отсутствие каких-либо движущихся частей, а следовательно — долговечность.
В реальных конструкциях в качестве такого блока с каналами поменяется следующий принцип: это должен быть либо диэлектрик, либо проводник с диэлектрическим покрытием (чтобы не происходило утекание заряда и не только — об этом ниже).
Поэтому в качестве основных материалов, среди известных конструкций, можно, например, найти такие, как силикон, поликарбонат («продырявленный» лазерной резкой), а металлы стараются не применять, так как они корродируют от контакта с ионными жидкостями.
Что же касается электродов, то здесь также стараются избегать металлов и применяют либо углеродные сетки (например, ткань, пропитанная графитом) или иные материалы (например, PEDOT:PSS — состав, который может использоваться в качестве переднего прозрачного электрода в жидкокристаллических мониторных устройствах).
Ещё одним любопытным материалом для использования в качестве электродов может быть графеновый электрод, который может быть изготовлен из обычного каптонового скотча (высокотемпературный скотч, широко известный 3D-печатникам):
При обработке такого скотча лазерным лучом с соответственно отрегулированной мощностью, чтобы происходило только поверхностное обжигание материала, из него начинают активно расти на поверхности (в момент обжигания лазером) иглообразные графеновые структуры, прикреплённые к поверхности и существенно увеличивающие её площадь.
Как выглядит обработанный лазером каптоновый скотч, можно глянуть, например тут. А если захочется ещё материалов найти по теме, то следует искать по ключевым словам «Laser-induced graphene». Кстати, тут есть ещё одна возможность — такой графен получается не только из каптонового скотча, но и при обработке древесины и многих других материалов ;-)
При этом, что интересно, судя по тому, что мне удалось выяснить гораздо ранее, фокусировка лазера влияет на степень иглообразности графеновых структур: при прочих равных, относительно расфокусированный луч даёт более иглообразные структуры, в то время как сфокусированный — более губчатые.
Учитывая, что мы имеем дело с электрическими зарядами, предположу, что положительный электрод должен иметь более губчатую структуру поверхности, чтобы облегчить приём зарядов, в то время как отрицательный электрод — более иглообразую, чтобы облегчить отрыв зарядов от поверхности. Но это требует своего эксперимента…
По некоторым данным, варьирование формой графена на поверхности обоих электродов (иглы/губка) может привести к увеличению эффективности на 40% и даже удвоению её (требует экспериментальной проверки).
После чего остаётся только «наделать дырок» лазером в этом скотче (соответствующих по сечению каналам или чуть больше их) — и электрод готов.
Только в любом случае нужно иметь в виду, что такие электроды обладают достаточно большим сопротивлением, что может затруднить создание эффективного генератора (скажем, приблизительно, что сопротивление может достигать в этом случае даже 500 Ом, в то время как для углеродной ткани оно будет находиться где-то в пределах 20 Ом).
Тем не менее, чего у каптоновых (т.е. графеновых) электродов нельзя отнять, это впечатляющей простоты изготовления: «обожгли скотч лазером» — и всё!
Хотя могут применяться и металлические электроды, однако, насколько удалось понять, из-за разрушения* ионной жидкостью их проводимость может падать.
*Тут надо вставить комментарий, что если использовать специальные ионные жидкости, о которых мы сказали выше, то возможно применение и металлических электродов, так как они не будут разрушаться при контакте с такими жидкостями, а токоотдача может быть увеличена вплоть до 10 раз по сравнению с раствором поваренной соли.
В качестве очень интересной идеи: а ведь можно покрывать торцы цилиндра тонкой металлической плёнкой (вместо стандартных сеток-токосъёмников) способом электровакуумного напыления! Тогда получается вообще очень технологичное и аккуратное устройство: 3d печать+напыление! С использованием этого способа сразу начинают просматриваться перспективы и серийного производства (с наверняка поднявшейся эффективностью токоотдачи, благодаря максимальному контакту с торцами микроканалов).
При этом такая система по выходной мощности существенно превысит (по некоторым данным, вплоть до 100 раз) широко распространённые и относительно простые варианты, использующие, например, пьезоэлектрические генераторы (когда, скажем, несколько «пьезопищалок» кладут под стельку), превосходя их также и в том, что для эффективной работы системы не нужна ударная нагрузка (как для пьезо-генераторов), и она может высокоэффективно работать даже при медленной ходьбе, будучи установленной на обувь.
Основным ограничителем возможностей (для энтузиастов), по крайней мере, до недавнего времени, являлась невозможность изготавливать миниатюрные каналы (как мы и говорили выше — чем тоньше каналы, тем больше токоотдача; и она ограничена, с одной стороны, при прочих равных — вязкостью жидкости, которая могла бы протекать через каналы минимального размера, всё ещё не «застревая» в их); а с другой — способностью оборудования физически изготавливать такие каналы.
Но всё изменилось с появлением доступных по цене* фотополимерных 3D-принтеров (кстати, в этом я вижу очень интересную возможность, которой ещё совсем недавно не было у людей) — примерно с 2018 года в интернете начали активно появляться результаты экспериментов людей, которые начали печатать на домашних фотополимерных принтерах микроканальные блоки для таких генераторов электричества.
*Насколько мне известно, минимальные версии фотополимерных принтеров на известном китайском сайте есть даже по цене, на данный момент, чуть более 16 тыс. рублей (например, Anycubic Photon Mono 4).
Скажем, если возьмём мой фотополимерный принтер Anycubic Photon M5S Pro, то он мог бы выдать печать с разрешением по горизонтали в 19-35 мкм — что (в теории) позволит создать весьма эффективный генератор.
Однако из-за вязкости смолы реально достижимое разрешение будет меньше…
Тем не менее, есть целый ряд смол, которые, опять же, в теории, позволяют достигнуть высокого разрешения для печати массива тонких каналов (в скобках указано примерно достижимое разрешение; указаны далеко не все смолы):
- PRO-BLK 10 (Formlabs) (~25–50 мкм);
- Anycubic Eco UV Resin (~35–50 мкм);
Подытоживая, можно сказать, что новые времена дают новые возможности, и появление фотополимерных 3D принтеров — это как раз одна из тех интересных возможностей, которая позволяет изменить правила игры и создавать ранее недоступные компоненты устройств, а применение описанной технологии микрофлюидной генерации электроэнергии представляется очень интересным, так как такие устройства не содержат движущихся частей, весьма надёжны, могут быть достаточно мощными и миниатюрными одновременно.
В процессе размышления над этой темой мне пришла в голову потрясающая (на мой взгляд) мысль: а что если использовать в качестве микроканального блока — листовой дырчатый материал для осмотических фильтров воды?!!! Такая пластина может иметь (в зависимости от типа), поры, даже сечением в 1 мкм — то есть, ПРЕВЗОЙДЁТ фотополимерную печать по количеству пор, как минимум, в 100 раз!!! При среднем размере иона в 0,5–2 нм (для понимания: 0,5 нм = 0,0005 мкм) — отверстия мембраны существенно больше и пропустят ионную жидкость (по идее), без проблем.
Беглый анализ материалов Интернета показал, что многие проводили подобные исследования и видят это направление работ перспективным (гуглить, например, по ключевым словам «Membrane-based electrokinetic energy conversion»). Есть над чем подумать....;-)
Если у кого возникнет желание, то вот здесь и вот здесь есть достаточно подробные научные труды (на англ. языке) по устройствам подобного класса, и там довольно неплохо разобрана как сама физика процесса, так и достигаемые в результате эффекты, с их достоинствами и недостатками.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
