Американські вчені розробили пристрій, здатний отримувати електроенергію з людського тіла навіть під час сну. Вони поєднали біопаливний елемент, який вміє збирати піт з кінчиків пальців і окисляти лактат, що міститься в ньому, і п'єзоелемент, який може виробляти додаткову електроенергію, коли людина друкує текст на комп'ютері або смартфоні. За десять годин сну пристрій на одному пальці може запасти електроенергію, достатню для живлення наручних годин протягом доби, а під час роботи за комп'ютером - удвічі більше. Результати дослідження опубліковані в журналі
Електрику з людського тіла можна отримати різними способами: з тепла за допомогою термоелектричних генераторів, з механічної енергії рухів за допомогою трибоелектричних генераторів і п'єзоелементів, і навіть шляхом окислення речовин, які містяться в нашому поті і сльозах. Однак у більшості таких пристроїв є загальний недолік - щоб вони почали працювати людина повинна активно рухатися і пітніти (або хоча б перебувати в холодному приміщенні). Тобто для того, щоб перетворити якусь частку енергії на електрику, потрібно паралельно витратити велику кількість енергії просто так. А ось виготовити подібні пристрої, які могли б отримувати електрику з людського тіла в пасивному режимі, набагато важче.
Вчені з Каліфорнійського Університету в Сан-Дієго під керівництвом Джозефа Ванга (Joseph Wang) розробили пристрій, який може отримувати електроенергію, навіть коли людина перебуває в спокої (наприклад, спить). Їх пристрій являє собою мініатюрний паливний елемент працює на окисленні лактат-іонів (молочної кислоти та її солей), які містяться в людському поту. У такій комірці на аноді під дією ферменту лактатоксидази іон лактату перетворюються на іони пірувату, а на катоді відбувається реакція відновлення кисню. Лактатні біопаливні елементи вже використовувалися раніше іншими вченими, але Ванг і його колеги розмістили пристрої в нетиповому місці - на кінчиках пальців. До біопаливної комірки вони додали п'єзоелектричний елемент, який допомагає отримувати додаткову енергію, коли людина працює з клавіатурою, мишкою або дисплеєм телефону. Основу біопаливного елемента автори роботи виготовили з пористої піни на основі нанотрубок (УНТ-піни). Це міцний і гнучкий матеріал, який ефективно вбирає воду і досить стабільний, щоб витримати нанесення всіх інших шарів. Для того, щоб зробити платиновий катод, на УНТ-піну спочатку методом електроосадження нанесли мідь і платину, а потім мідь повністю розчинили. Вийшли наночастинки платини в порах УНТ-піни. Анод виготовили, завдавши на УНТ-пену 1,4-нафтохінон, фермент лактатоксидазу і хітозан. Після цього катод і анод з'єднали разом, причому виявилося, що для отримання максимальної потужності площа аноду повинна бути вдвічі більшою, ніж площа катода. Щоб полегшити адсорбцію поту, на внутрішню поверхню біопаливного елемента, нанесли гідрогель з полівінілацетату. До зовнішньої поверхні приєднали п'єзоелектричний елемент на основі титанату цирконію і свинцю, а для захисту все упакували в полімерну харчову плівку. Готовий пристрій має площу в один квадратний сантиметр, а до пальця його можна прикріпити за допомогою стандартної липкої стрічки.
За 10 годин сну біопаливний елемент на одному пальці може накопичити до 400 міліджоулів електроенергії - цього достатньо для живлення електронних наручних годин протягом доби. Коли людина працює за комп'ютером, її пальці пітніють сильніше, тому виробництво електроенергії зростає майже вдвічі - до 79 міліджоулів на годину, а п'єзоелектричний елемент додає до цього ще близько 30 міліджоулів на годину.
Автори зазначають, що кількість електроенергії, яку видає біопаливний елемент, залежить від кількості поту і вмісту лактатів, тому для різних людей результат може відрізнятися більш, ніж удвічі. Ефективність п'єзоелектричної частини була більш постійною, але теж відрізнялася для різних випробовуваних і при різних видах активності. Втім, вибірка випробовуваних у дослідженні Ванга і його колег поки що була зовсім невеликою. Параметри, що впливають на кількість отриманої електроенергії, автори планують детальніше вивчити в майбутніх роботах.
У березні ми писали про розумну куртку, яка виробляє електрику двома способами одночасно - правда людині для цього все-таки доводиться рухатися. Трибоелектричні генератори на рукавах працюють за рахунок тертя під час ходьби і бігу, а лактатний біопаливний елемент, схожий на той, який використовували Ванг і його колеги - і під час руху і після того, як воно припинилося. У результаті за десять хвилин швидкої ходьби можна запасти електроенергію для живлення рідкокристалічного дисплея протягом тридцяти хвилин.