Электропроводящая жидкость помогла американским учёным создать прибор, который мог бы подзаряжать практически любые персональные устройства на ходу. В прямом смысле.

Проведённые несколько лет назад исследования показали, что при каждом соприкосновении стопы человека с землёй генерируется порядка 20 ватт. Между тем большинству мобильных устройств для стабильной работы достаточно от 1 до 15 ватт.

Рис. 1. Разработчики обещают, что используемые в готовом продукте жидкости не будут токсичными, коррозийными и дорогим, а также что человек не будет испытывать ощущение хлюпанья в ботинках (иллюстрация InStep NanoPower).

Инженеры вот уже несколько лет пробуют перенаправить пропадающие энергетические мощности в полезное русло. Но до сих пор никому не удавалось получить сколько-нибудь значимый выход. Пьезоэлектрические материалы, генерирующие ток при изменении формы, отдают лишь сотни милливаттов, а этого недостаточно для подзарядки батарей.

Рис. 2. На переднем плане концепт устройства, которое будут встраивать в обувь (иллюстрация InStep NanoPower).

Том Крупенкин (Tom Krupenkin) и Эшли Тэйлор (Ashley Taylor) из университета Висконсина в Мэдисоне пошли другим путём. Они воспользовались технологией электросмачивания (electrowetting) и максимально сблизили электроды, чтобы повысить мощность гипотетического персонального зарядного устройства, встраиваемого в обувь, до 10 ватт.

Рис. 3. В 1992 году Том закончил
МФТИ. На сегодняшний день Thomas
Nikita Krupenkin — обладатель
12 патентов (фото UW Madison).

Электросмачиванием физики называют процесс, когда капля электропроводящего вещества, помещённая на электрод, начинает деформироваться под действием заряда (смачивать поверхность). В некоторых случаях электроды покрывают диэлектрическим материалом, который не проводит ток, но поляризуется во внешнем электрическом поле.

Том и его коллеги надумали повернуть процесс вспять: заставить деформированную каплю, зажатую меж двух пластин, покрытых диэлектриком, генерировать заряд и, как следствие, электрическую энергию.

«Мы решили сделать из мотора электрогенератор», — сравнивает учёный.

Чтобы проверить, насколько такой подход имеет право на жизнь, инженеры поместили вдоль каналов шириной несколько миллиметров электроды, покрытые тонким слоем диэлектрического оксида тантала. Капли из ртути и галинстана послужили генератором электрического заряда, который при помощи резистора был конвертирован в переменный ток.

Рис. 4. Схемы, показывающие капли, зажатые между осциллирующими пластинами (a), скользящими друг относительно друга пластинами (b), в микроканалах ©. Рисунок d иллюстрирует генерацию тока в ходе обращённого процесса электросмачивания. В центре: схематическое изображение будущего устройства в подошве ботинка и на примере одной капли. Внизу: фотография капли, зажатой между электродами. Масштабная линейка – 0,5 миллиметра (иллюстрации Nature).

Выход полученной энергии возрастал пропорционально количеству капель, пишут учёные в статье в журнале Nature Communications. На данный момент американские физики не могут похвастаться серьёзными успехами: 150 капель дали всего лишь несколько милливатт.

Но экстраполяция показала, что тысяча капель (которые могут разместиться на площади 40 квадратных сантиметров) сможет генерировать мощность 10 ватт. Этого уже достаточно для подпитки мобильника, военного радиоприёмника или GPS-навигатора и даже небольшого ноутбука. Нужно будет лишь потоптаться на месте, и проблема севшей батареи отпадёт сама собой.

Рис. 5. Разработчики также предлагают запихнуть в кроссовки и ботинки точку доступа Wi-Fi, таким образом, считают авторы, можно снизить энергозатраты мобильных устройств на поддержку беспроводной сети (иллюстрация InStep NanoPower).

Крупенкин запатентовал своё изобретение и создал компанию InStep NanoPower для коммерциализации будущей разработки. Возможными покупателями готового продукта он называет жителей развивающихся стран, которые не имеют постоянного доступа к общей энергосети.

Однако учёным ещё предстоит очень постараться, чтобы сделать первый рабочий прототип устройства, который был бы встроен в обувь и при этом выдавал бы достаточную мощность (по планам на это уйдёт два года).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Tom Krupenkin & J. Ashley Taylor Reverse electrowetting as a new approach to high-power energy harvesting. – Nature Communications. – 2. – Article number: 448; doi:10.1038/ncomms1454; Published 23 August 2011.