Можно ли заряжать гаджеты своим телом, как в сериале «Чёрное зеркало»

Представьте себе мир, где каждое ваше движение превращается в электричество. Буквально: вы крутите педали — и этим питаете всю окружающую инфраструктуру. Это сюжет «15 миллионов заслуг» — второго эпизода первого сезона «Чёрного зеркала». В мрачном антиутопическом будущем люди живут в закрытой цифровой системе и почти всё время проводят на велотренажёрах. За это они получают «заслуги» — виртуальные баллы, которые можно тратить на еду, развлечения или даже попытку выбраться.

Звучит как фантастика, но идея не такая уж дикая. Ведь наше тело действительно вырабатывает энергию: мы двигаемся, производим тепло, сжигаем калории. И в мире, где всё активнее ищут новые источники энергии, возникает вполне серьёзный вопрос: можно ли использовать это на практике? Например, чтобы питать здания, технику или хотя бы собственные гаджеты? И если можно — насколько это реально и эффективно? Давайте разберёмся.

Почему мы не питаем здания «человеческой» энергией

Если бы кто-то всерьёз решил воплотить сюжет «Чёрного зеркала» в жизнь — он столкнулся бы с большими ограничениями.

Начнём с того, сколько энергии может дать человек. В среднем один взрослый способен производить примерно 100 ватт. Хорошо натренированные спортсмены, например профессиональные велогонщики, способны кратковременно выдавать до 400 ватт и даже больше. Но это очень мало.

Сравним эти показатели с тем, сколько энергии нужно обычному жилищу. В США, например, средний частный дом потребляет около 900 киловатт-часов в месяц — это примерно 30 киловатт-часов в сутки. То есть, чтобы покрыть эти потребности, нужно как минимум 10–20 человек, которые крутят педали без остановки весь день.

Есть и другие нюансы. Наши мышцы далеко не так эффективны, как электродвигатели. Только 20–30 % потреблённой энергии превращаются в полезную работу — всё остальное уходит в тепло. То есть, чтобы «выжать» 100 ватт, организму нужно затратить в 4–5 раз больше.

И наконец, деньги. Оборудование, которое превращает движение в электричество, стоит недёшево. Его установка и обслуживание тоже требуют вложений. В реальности окупается это всё слишком медленно.

Проще говоря, даже если десяток человек будет крутить педали весь день, они не смогут обеспечить энергией обычный дом. Это и физически тяжело, и экономически невыгодно.

Где тело всё-таки может быть полезным источником энергии

Несмотря на то, что мы не сможем питать дома человеческой энергией, существуют сценарии, где тело действительно используется как источник электричества — пусть и на совсем небольшом уровне. Вот три самых интересных направления.

Генерация энергии от движений 

Представьте, что каждый ваш шаг — как лёгкий удар по мини-генератору. Именно на этом основаны технологии, превращающие механическую энергию движения в электрическую.

Яркий пример — напольная плитка от компании Pavegen, придуманная в 2009 году. Внутри скрыт маховик и система катушек с магнитами: когда кто-то наступает, создаётся электромагнитное поле, которое и генерирует ток. Один шаг даёт чуть меньше ватта — достаточно, чтобы ненадолго зажечь маленький светодиод. 

Тем не менее такие технологии уже используют в местах с большим пешеходным трафиком — например, на фестивалях или в аэропортах.

Другой пример — пьезоэлектрические полы. Они содержат специальные кристаллы, чаще всего PZT-керамику, которые под давлением создают напряжение. Это та же физика, что в зажигалках с кнопкой: щёлк — и возникает искра. Только тут вместо искры — микроскопический ток. В лабораторных испытаниях шаг по такому полу может дать около 35 милливатт — тоже совсем немного, но достаточно, чтобы, например, активировать систему освещения на короткое время или включить сенсор. 

Правда, эти технологии пока в основном демонстрационные или применяются для датчиков движения, а не для питания чего-то серьёзного.

Генерация энергии от тепла тела

Между температурой нашего тела и температурой воздуха есть разница в несколько градусов, которую можно превратить в электричество. На этом принципе работают термоэлектрогенераторы, или ТЭГ.

Первые коммерческие гаджеты с такими устройствами появились в конце 1990‑х. Это были наручные часы Seiko Thermic и Citizen Eco-Drive Thermo. Для работы кварцевого механизма хватало совсем немного энергии — 22–25 микроватт.

Кроме того, не так давно китайские инженеры создали гибкие ТЭГ-модули, которые можно вшить в одежду и заставить, например, включить светодиод от тепла кожи. Исследователи предполагают, что в дальнейшем можно будет таким образом подзаряжать мелкие носимые устройства — например, фитнес-браслеты.

Главная проблема всех ТЭГ — очень низкая мощность. Даже если обмотать человека термогенераторами с головы до ног, вряд ли на выходе получится больше пары сотен микроватт. Для сравнения: зарядка смартфона требует 3–7 ватт, то есть в десятки тысяч раз больше. Поэтому термогенераторы сегодня — не способ снабдить энергией дом, а, скорее, решение для автономной миниатюрной электроники. 

Генерация энергии от сердцебиения

Учёные из Университета Вашингтона придумали, как продлить срок службы беспроводных кардиостимуляторов, используя само сердце как источник энергии. Они разработали гибкий рукав из пьезоэлектрического полимера (PVDF), который надевается на кардиостимулятор и собирает энергию от пульса — то есть от колебаний давления крови в сердце.

Раньше устройства располагали снаружи сердца, что требовало повторной открытой операции, — здесь же вся система сразу помещается внутрь. Благодаря этому процедура установки кардиостимулятора не усложняется. Материал безопасен, гибок и прочен, а сам рукав сконструирован так, чтобы максимально эффективно деформироваться при каждом сердечном сокращении.

Исследования пока продолжаются: учёные тестируют новые прототипы и планируют клинические испытания на животных. Их цель — создать устойчивое устройство, которое позволит кардиостимулятору надёжно и долго работать за счёт сердцебиения.

Что в итоге

Человеческое тело действительно вырабатывает энергию — в виде тепла, движений, давления. И современные технологии умеют эту энергию собирать. Но реальность далека от «Чёрного зеркала»: мощности, которые можно получить от тела, слишком малы, чтобы питать хоть что-то крупнее браслета или лампочки.

Зато в миниатюрной электронике — например, в медицине или носимых гаджетах — такие решения вполне работают. Шаги могут зажечь светодиоды, а сердце — подзарядить кардиостимулятор. Мы вряд ли когда-нибудь будем крутить педали ради оплаты ужина, но сделать технику чуть автономнее с помощью собственной энергии — задача вполне реальная.