Ученые из США предложили конструкцию новых элементов питания, которые напрямую преобразуют механическую энергию в химическую. Впоследствии эта энергия может быть сохранена или преобразована в электричество для питания различных устройств.

Элемент питания радикально отличается от привычных аналогов последовательностью преобразований. Обычные устройства сначала преобразуют механическую энергию в электрическую, и лишь затем могут сохранить ее при помощи преобразования в химическую энергию. Таким образом,

новинка позволяет пропустить один промежуточный шаг, сделав систему более эффективной. Разработчики считают, что если предложенная методика будет немного улучшена, она вполне может применяться в быту, например, в подошвах обуви, которые позволят подзарядить мобильный телефон, пока владелец идет пешком.

Каждый день мы используем все большее число портативных электронных устройств. И все эти устройства приходится подзаряжать почти каждый день. Это особенно сложно, например, для туристов или пеших войск, которые могут находиться длительное время вдалеке от привычных источников электроэнергии, а значит, должны нести на себе большое количество батарей для GPS, средств связи и других устройств. Чтобы облегчить жизнь тем, кто не имеет ежедневного доступа к розетке, ученые по всему миру работают над системами, которые позволили бы генерировать электричество из повседневного движения тела.

Обувь является наиболее очевидной областью для начала поиска подобных технологий. Поскольку упомянутые группы людей проходят ежедневно большие расстояния, можно извлечь большое количество энергии, установив инструмент для ее преобразования в подошву ботинка.

Несколько подобных технологий уже находится на вооружении ученых. Но все они предполагают использование для генерации и хранения энергии отдельных блоков, при передаче между которыми энергия естественным образом теряется. Но группа исследователей из Georgia Institute of Technology (США) предложила альтернативный подход. В рамках созданного ими устройства осуществляется как генерация, так и хранение энергии.

Предложенная исследователями энергетическая ячейка состоит из катода, сделанного из литий кобальт оксида (LiCoO₂), и анода из диоксид-титановых нанотрубок, выращенных перпендикулярно поверхности титана. Электроды разделены пленкой из поливинилиденфторида – материала, который имеет выраженные пьезоэлектрические свойства. Когда такая ячейка сжимается, появляется пьезоэлектрический заряд, вынуждающий ионы лития двигаться от катода к аноду. Таким образом,

механическая энергия напрямую трансформируется в химическую и сохраняется в литий титан оксиде. Самый важный факт заключается в том, что, когда ячейка разжимается, пьезоэлектрический заряд пропадает, но сохраненная энергия – нет. Соответственно, при следующем цикле сжимания / разжимания объем сохраненной энергии увеличится.

Использовать же запасенную энергию довольно просто – достаточно подключить нагрузку между анодом и катодом.

В рамках проведенных экспериментов научная группа смогла повысить напряжение между анодом и катодом до 60 мВ за 4 минуты сжатий элемента на частоте 2,3 Гц. После такой «зарядки» элемент может выдавать ток в 1 мА в течение 2 минут. Хотя результат работы одного элемента – не велик по сравнению с энергией, необходимой для зарядки мобильного телефона, команда использовала несколько элементов, соединенных последовательно, чтобы питать самый обычный электронный калькулятор в течение 10 минут.

Хотя технология все еще находится на очень ранней стадии развития, уже сейчас понятно, что она эффективнее, чем обычные схемы генерирования энергии (где генерирование и сохранение энергии происходит в разных блоках). Более того, ученые считают, что есть несколько методов, позволяющих увеличить производительность системы. В частности, они полагают, что в конструкции, созданной на данный момент, большая часть механической энергии рассеивается не в пьезоэлектрической пленке, а в стальной оболочке устройства.