Не нужно проводить специального исследования, а достаточно взглянуть на обложку текущего журнала Nature или даже просто на заголовки новостных агентств, чтобы понять какой основной вопрос сейчас стоит на повестке дня. Энергетика, желательно экологически чистая, возобновляемая, “даровая”, никак не связанная с углеродом – вот та желанная цель, на достижение которой направлены усилия многих ученых. По понятным причинам особенно остро вопрос “зеленой энергетики” стоит перед западноевропейскими учеными и их коллегами по другую сторону Атлантики [1].

Когда говорят об альтернативных источниках энергии, обычно выделяют три ресурса: световая энергия (от Солнца), тепловая энергия (например, земных недр), а также энергия всякого рода движения (ветер, течения, приливы и т.п.). Если же говорить об источниках питания для автономных датчиков и имплантантов в медицине, для средств связи и мобильной электроники, то, на поверку, остается лишь третий ресурс (движение), поскольку работа фотоэлементов зависит от наличия светового потока, а термоэлементы требуют больших перепадов температур между частями устройства, что трудно осуществить в миниатюрных приборах.

Рис. 1. а – Механические колебания кантилевера из пьезоэлектрического материала преобразуются в электрическую энергию; б – пьезоэлектрический элемент для сбора энергии при ходьбе [4]

Одна из наиболее популярных схем сбора энергии основана на использовании упругой консоли (кантилевера) из пьезоэлектрического материала, механические колебания которой преобразуются в колебания электрического напряжения (см. рис.1 а). Интересно, что, как показывают расчеты, резкое увеличение эффективности такого преобразования наблюдается на тонких пластинках толщиной десятки нанометров, что связано с выходом на сцену флексоэлектрического эффекта: изгибная деформация пластины приводит к дополнительному вкладу в поляризацию, который может в разы превосходить вклад от обычного «объемного» пьезоэлектрического эффекта [2].

Любопытное развитие описанной выше схемы сбора энергии предложено в статье [3]: кантилевер изготовлен из композиционного материала — слоя пьезоэлектрика, жестко скрепленного магнитострикционным слоем. При колебаниях кантилевера в магнитном поле Земли магнитострикционный слой испытывает дополнительные деформации, которые передаются связанному с ним пьезоэлектрическому слою, в результате чего амплитуда переменного напряжения удваивается по сравнению со случаем чисто пьезоэлектрического кантилевера. Такое устройство авторы [3] предлагают использовать на подводных аппаратах и буях, где всегда есть океанские волны и магнитное поле Земли.

Здесь надо сделать еще одно замечание: частоты колебаний ω, встречающиеся в естественных условиях невелики – герцы, от силы, десятки герц, а это означает, с одной стороны, малую мощность, вырабатываемую агрегатом (мощность пропорциональна произведению амплитуды силы инерции (F~ω²) на амплитуду скорости (V~ω), т.е. кубу частоты), с другой стороны – совсем немикроскопические размеры устройства, для которого такие частоты являются собственными [4].

Так, система, описанная в [3] представляла собой пластину длиной в 10 см, шириной 2 см и толщиной 3 мм с грузиком массой 1 г и вырабатывала микроватт в пересчете на кубический сантиметр (для сравнения, литий-ионная батарея с емкостью 1 кДж/см³ может работать в таком режиме 30 лет).

Лучших результатов ожидают от использования других видов колебательного движения: человеческого тела при ходьбе (расположенные в ботинке пьезоэлементы (рис.1 б) уже позволяют получать до 1 мВт/см³) и еще более высокочастотных вибраций мотора автомобиля – до 30 мВт/см³. В любом случае, о том, что данные элементы могут заменить аккумуляторы в сотовых телефонах и карманных компьютерах, речи пока не идет. Сам сбор урожая даровой энергии (“energy harvesting”) напоминает скорее процесс, описанный в известной сказке: “по сусекам поскрести, по амбарам помести”, и это объясняет, почему в таких случаях часто используют другой термин: “energy scavenging” (scavenging в буквальном переводе с английского означает “уборка, утилизация мусора”).

А. Пятаков

• Rex Dalton, Nature 457, 241 (2009)
• M.S.Majdoub et al., Phys. Rev. B 78, 121407® (2008)
• Shuxiang Dong et al., Appl. Phys. Lett. 93, 103511 (2008)
• P.D.Mitcheson et al., Proc. IEEE 96, 1457(2008)