Urządzenia ubieralne rozwijają się w szybkim tempie, jednak jednym z ich największych ograniczeń wciąż pozostaje konieczność regularnego ładowania. Badacze od lat szukają sposobów, aby smartwatch czy opaska fitness mogły działać dłużej bez podłączania do gniazdka. Jednym z najbardziej intrygujących kierunków badań jest wykorzystanie energii generowanej przez ludzkie ciało. Naukowcy z Instytutu Chemii przy Chińskiej Akademii Nauk opracowali materiał, który może przekształcać ciepło organizmu w energię elektryczną i tym samym otworzyć drogę do urządzeń wearable z własnym źródłem zasilania.
Nowy materiał może zasilać smartwatch dzięki ciepłu ciała
Ludzki organizm nieustannie produkuje ciepło, które w ogromnej części jest po prostu tracone do otoczenia. Szacuje się, że globalnie ponad 60% energii kończy jako tzw. ciepło odpadowe. Naukowcy postanowili wykorzystać ten fakt i opracowali elastyczny materiał termoelektryczny, który potrafi przekształcać różnicę temperatur między skórą a otoczeniem w energię elektryczną. W praktyce oznacza to, że smartwatch lub inne urządzenie noszone na ciele mogłoby w przyszłości korzystać z energii generowanej przez użytkownika.
Kluczowym elementem rozwiązania jest specjalny polimer o nietypowej, porowatej strukturze. Badacze uzyskali ją poprzez zmieszanie materiału z czynnikiem rozdzielającym, który później został usunięty. W efekcie powstała sieć mikroskopijnych i nanoskalowych otworów przypominających strukturę gąbki. Taka budowa ma ogromne znaczenie dla efektywności działania. Porowata struktura skutecznie blokuje mikroskopijne wibracje odpowiedzialne za ucieczkę ciepła, co pozwoliło ograniczyć jego straty aż o około 72%. Jednocześnie uporządkowanie cząsteczek polimeru w ograniczonej przestrzeni poprawia przepływ ładunków elektrycznych i zwiększa mobilność elektronów o co najmniej jedną czwartą.
Rekordowy wynik materiału termoelektrycznego
Efektem tych zmian jest znacząca poprawa parametrów termoelektrycznych materiału. Wskaźnik wydajności znany jako liczba meritów zT osiągnął poziom 1,64. To wynik wyraźnie lepszy od wcześniejszego rekordu dla materiałów polimerowych, który wynosił 1,28. Co więcej, wartość ta przewyższa nawet część stosowanych obecnie materiałów nieorganicznych używanych w komercyjnych rozwiązaniach, których efektywność oscyluje w okolicach 1,5.
Co istotne, badacze podkreślają także prostotę produkcji nowej folii. Materiał można wytwarzać metodą powlekania natryskowego, która pod względem procesu przypomina drukowanie gazet. Tego typu technika pozwala potencjalnie produkować go na dużą skalę przy stosunkowo niskich kosztach, co w przyszłości mogłoby ułatwić zastosowanie technologii w elektronice użytkowej. Gdyby rozwiązanie zostało dopracowane, smartwatch czy inne urządzenie wearable mogłoby korzystać z energii generowanej bezpośrednio przez ciało użytkownika.
Od obiecujących badań do realnego smartwatcha jeszcze daleka droga
Choć wyniki badań wyglądają bardzo obiecująco, to droga do komercyjnego zastosowania technologii wciąż jest długa. Jednym z problemów jest fakt, że rekordowy wynik materiału osiągnięto w temperaturze około 70°C, która zdecydowanie nie odpowiada warunkom panującym na ludzkiej skórze. W praktyce oznacza to, że w typowych warunkach pracy efektywność może być znacznie niższa.
Drugim wyzwaniem pozostaje integracja materiału z rzeczywistymi urządzeniami. Nawet jeśli materiał skutecznie generuje energię, to trzeba jeszcze zaprojektować system, który pozwoli wykorzystać ją do stabilnego zasilania elektroniki. W przypadku takich urządzeń jak smartwatch oznacza to konieczność dopracowania wielu elementów, takich jak zarządzanie energią, czy miniaturyzację komponentów.
Źródło: Science
Chcesz być na bieżąco? Śledź ROOTBLOG w Google News!