البطاريات غير متضمنة: كيف سيعمل حصاد الطاقة على نطاق صغير على تشغيل المستقبل

كان الراديو البلوري الموقر موجودًا منذ أوائل القرن العشرين، ولكن لسبب فريد جدًا، لا يزال الناس يصنعونه ويستخدمونه حتى اليوم. إنها ليست عالية بشكل خاص، ولن تستحوذ على محطات بعيدة، ومن المؤكد أن جمالياتها لن تثير إعجاب رفاقك المتحمسين. ومع ذلك، فإن هذه الأعجوبة القديمة توفر ميزة واحدة لا يستطيع أي راديو آخر تقديمها: فهي تعمل بدون مصادر طاقة تقليدية. هذا صحيح - لا يوجد سلك ولا بطاريات ولا عجلات الهامستر.

كيف يكون هذا ممكنا؟ لأن أجهزة الراديو الكريستالية تستمد كل الطاقة التي تحتاجها من موجات الراديو نفسها.

رائع، أليس كذلك؟

موجات الراديو، كما ترى، نكون طاقة. يعمل الأمر على النحو التالي: تقوم محطات الراديو بتحويل الصوت إلى موجات راديو تنتقل بعد ذلك، بسرعة لا تقل عن سرعة الضوء، في كل الاتجاهات من جهاز الإرسال. هذه الموجات هي، في جوهرها، مجالات كهرومغناطيسية – وهي أشكال من الطاقة الكهربائية لا تختلف كثيرًا عن الطاقة التي تتدفق إلى منافذ التيار المتردد لديك، ولكنها يتم رشها في جميع الاتجاهات. إن الكمية الجزئية التي تصل إلى منزلك فعليًا ليست قوية جدًا على الإطلاق.

محرومًا من مصادر الطاقة الأخرى، يحتاج الراديو البلوري إلى "حصاد" أكبر قدر ممكن من المجال الكهرومغناطيسي المقترب. وهو يفعل ذلك باستخدام هوائي كبير إلى حد ما (عادةً ما يكون امتدادًا طويلًا من الأسلاك النحاسية)، و"ملفًا" تم ضبطه على التردد (عدد الموجات في الثانية) للمحطة المطلوبة، و"كاشف" لاستخراج الإشارة الصوتية، وسماعة لتحويل الإشارة الصوتية إلى صوت مرة أخرى أمواج.

على الرغم من أن الراديو البلوري نفسه لم يعد رائجًا منذ بعض الوقت، إلا أن جزء "حصاد الطاقة" من المعادلة - حيث يتم التهام السلطة، بالمعنى الحرفي والمجازي، من لا شيء – أصبح الآن في خضم ظاهرة ملحوظة عصر النهضة. من تسخير الطاقة المحمومة لنادي الرقص إلى الاستفادة من الحرارة المنبعثة من جسم الإنسان، يتطلع المهندسون إلى العالم من حولنا بحثًا عن مصادر غير مستغلة للطاقة. والحصول على النتائج. هذا هو السبب في أن منافذ الطاقة والبطاريات لم تعد جيدة بما فيه الكفاية، وما يفعله العلماء حيال ذلك.

الأمر كله يتعلق بجوعنا للسلطة. نبدأ أيامنا بتشغيل أجهزة مختلفة حول منازلنا – ساعات المنبه والمحامص وأواني القهوة. ثم نقفز في سيارتنا، التي لديها عطش لا يرتوي لمزيد من الطاقة. أو ربما نركب الحافلة ونلعب بجهاز الكمبيوتر المحمول أو الجهاز اللوحي أو الهاتف الذكي أو مشغل الموسيقى أو نظام الألعاب المحمول على طول الطريق. في نهاية المطاف، يستمر يومنا بأكمله كما بدأ، معتمدًا على أشكال مختلفة من الكهرباء للقيام بما يتعين علينا القيام به.

الإفراط في الاستهلاك

هناك أكثر من بضعة أشياء خاطئة في هذه الصورة. أولاً، سواء كنا نشتري بطاريات جديدة باستمرار، أو نعيد شحن البطاريات القابلة لإعادة الشحن، أو نركض فقط الأجهزة التي تعمل بتيار متردد، تعتبر الطاقة مصدرًا باهظ الثمن يستنزف محفظتنا ولا يبدو أننا نتوقف عنه أبدًا تستهلك.

وإلى جانب التكلفة المالية المترتبة على البقاء متجددا، هناك تكاليف يتحملها الكوكب أيضا. وفقا لوكالة حماية البيئة (EPA)، يشتري الأمريكيون ما يقرب من ثلاثة مليارات خلية جافة البطاريات سنويًا لتشغيل أجهزة الراديو، ولعب الأطفال، والهواتف المحمولة، والساعات، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأدوات الكهربائية المحمولة. وحتى في مجتمع اليوم المستنير إلى حد ما، فإن الغالبية العظمى من هذه الأشياء يتم إلقاؤها في نهاية المطاف في مدافن النفايات. هنا سوف تتحلل على مدار عقود، وتتسرب جميع أنواع المواد الكاوية إلى التربة المحيطة والمياه الجوفية. وهذا مجرد غيض من فيض - من السدود الكهرومائية إلى محطات الطاقة النووية ومولدات الديزل، فإن تعطشنا للواط يدمر الكوكب.

وهذا هو المكان الذي قد ينقذ فيه حصاد الطاقة الموقف. تتبادر إلى الأذهان على الفور توربينات الرياح والطاقة الشمسية كأمثلة لطرق الاستفادة من البيئة المحيطة بنا للحصول على الطاقة النظيفة، ولكن كلاهما محدود بتوفر مصدر الطاقة الذي يحصدانه. لا يمكنك الحصول على نفس القدر من الطاقة تقريبًا عندما لا تهب الرياح أو عندما لا تكون الشمس مشرقة.

ومع ذلك، هناك مستوى آخر تمامًا من حصاد الطاقة على نطاق أصغر. لأن العديد من الأجهزة الإلكترونية الشخصية المحمولة التي نستخدمها الآن لا تتطلب الكثير من الكهرباء بادئ ذي بدء، بدأت تظهر فرص حصاد كميات ضئيلة من الطاقة في كل مكان.

وقد يعني ذلك أن الهواتف ومشغلات الموسيقى وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لن تضطر أبدًا إلى شحنها مرة أخرى.

حزام على الهوائيات: حصاد موجات الراديو

من الواضح أن أحد أبرز الأساليب لسحب الكهرباء من الهواء الرقيق يشير إلى الراديو البلوري الموقر. إنه يحصد الطاقة، وليس من المستغرب، من موجات الراديو.

في مركز الأبحاث اللاسلكية بجامعة بيدفوردشير في لوتون بالمملكة المتحدة، كان ثلاثة من الأشخاص الأذكياء يعملون على حصاد الموجات الراديوية ويعتقدون أن الحل لن يقلل في يوم من الأيام من اعتماد المستهلك على البطاريات وطاقة التيار المتردد فحسب، بل سيقلل أيضًا من التأثير على بيئتنا.تحدثنا مع بن ألين، الذي يرأس الفريق، لمعرفة المزيد. وقد اكتسب ألين وزملاؤه اهتمامًا دوليًا في شهر فبراير عندما أعلنوا أنهم طوروا التكنولوجيا وقدموا طلب براءة اختراع لتجميع الموجات الراديوية. وأشار بعض المهذبين إلى أنها كانت الأولى من نوعها في العالم، على الرغم من أن مجموعة ألين ليست سوى واحدة من العديد من المجموعات في جميع أنحاء العالم التي تتطلع إلى نفس الآفاق. في الواقع، أظهر العالم الصربي الأمريكي الشهير والعبقري المعتمد نيكولا تيسلا ظاهرة نقل الطاقة اللاسلكية منذ أكثر من قرن من الزمان. ومع ذلك، فقد أخذ ألين وفريقه التكنولوجيا إلى مستوى لم يصل إليه سوى عدد قليل من الآخرين. وفقًا لألين، يركز الحل الذي يقترحه الفريق على نطاق التردد “الذي يبلغ حوالي 1 ميجا هرتز ويسمى أحيانًا “نطاق AM”. ليس من الضروري أن نحصد الطاقة من هذه الإشارات، لكننا ركزنا على الموجات المتوسطة لأننا نعتقد أن لها مزايا مقارنة بالموجات عالية التردد.يوجد في قلب هذا المفهوم هوائي، وهو هوائي يشبه ألين طاحونة الهواء. "تقوم الموجة (الراديو) بإحداث تيار في الهوائي، والذي نقوم بتحويله إلى تيار مستمر ونطبقه على الجهاز الذي يحتاج إلى طاقة. كلما زاد حجم الهوائي، زادت الطاقة المتاحة. الهوائي يشبه طاحونة الهواء، فكلما كانت الطاحونة أكبر، كلما توفرت طاقة أكبر.

يسارع ألين أيضًا إلى التفاخر بإمكانية تحديث هذه التكنولوجيا لتتناسب مع الأجهزة الموجودة، كما أنها مدمجة نسبيًا. أما بالنسبة للمخاوف من أن تجميع موجات الراديو على نطاق واسع قد يؤدي في نهاية المطاف إلى تفريغ قدر كبير من الطاقة بحيث لا يتبقى شيء، فإن ألين يلعب مرة أخرى بورقة طاحونة الهواء. "نحن نستخدم هوائيات صغيرة جدًا ولها تأثير ضئيل على الإشارات - يشبه إلى حد ما تأثير طاحونة الهواء الخاصة بطفل على الريح. إذا كان لدينا جهاز كبير جدًا، فسيكون من الصعب استقبال إشارة خلفه، تمامًا مثل "نقص الرياح وراء مولد الرياح الكبير. "الاتجاه الصعودي الواضح هو ثبات المحصود مصدر. وكما يوضح ألين، فإن تجميع الموجات الراديوية لا يعتمد على ضوء الشمس أو الرياح. كما أنها لا تعتمد على الفرق الحراري (المفهوم الكامن وراء حصاد الطاقة الحرارية، والذي سيتم مناقشته لاحقًا في هذه المقالة). موجات الراديو هي دائماً هناك، وأكثر من ذلك في المناطق الحضرية. علاوة على ذلك، يقول ألين: "من حيث المبدأ، يعمل بشكل جيد في المناطق الريفية ويجب أن يكون لموجات الراديو اختراق جيد نسبيًا في المباني مقارنة بتلك ذات الترددات الأعلى".

لا تحتوي موجات الراديو على الكثير من الطاقة القابلة للحصاد، لذلك يستهدف ألين وفريقه حاليًا الأجهزة ذات الطاقة المنخفضة للغاية - منتجات مثل عقد شبكة الاستشعار اللاسلكية التي تنفذ أحيانًا فقط إجراءات تتطلب الطاقة وتبقى في مكانها وضع الانتظار. يشمل المرشحون المستقبليون أجهزة التحكم عن بعد والساعات.

يقول ألين: "ستتطلب بعض التطبيقات بطاريات قابلة لإعادة الشحن للمساعدة في توفير الطاقة، ولكن (حتى سيتم شحنها) من الطاقة المحصودة". "وهذا من شأنه أن يحد من عمر أي جهاز، وفي نهاية المطاف سوف تتدهور البطارية وتحتاج إلى الاستبدال. قد يحدث هذا بعد بضع سنوات، ولكنه يختلف بسبب تقنية البطارية ودرجة الحرارة ودورة الشحن.

ومع ذلك، فإن الأجهزة التي تستهلك التيار العالي مثل الأجهزة اللوحية والمصابيح الكهربائية قد لا تكون أبدًا جزءًا من الصورة. وإذا كان الأمر كذلك - ونحن ننظر إلى الطريق هنا - فمن المؤكد أن تجميع موجات الراديو لن يكون المصدر الوحيد للطاقة. تصور بطارية قابلة لإعادة الشحن تعتمد على إعادة الشحن "العادي" ولكن من المحتمل أن يتم شحنها أيضًا مزيج من بدائل حصاد الطاقة، وتبدأ في تكوين فكرة عما قد يحمله المستقبل يمسك.

اهتزازات جيدة: حصاد الطاقة الكهروضغطية

وفي الوقت نفسه، في نوادي الرقص في جميع أنحاء العالم، يستمتع الزبائن بسعادة طوال الليل. من الواضح أنه سيكون هناك دائمًا مكان في هذا العالم لأولئك الذين لديهم هوس بالدوران. لكننا نستطرد. النقطة هنا هي أن بعض هذه الأندية تختلف عن غيرها. يبدو أن هناك حركة على قدم وساق من أجل "تخضير" قاعات الرقص لدينا. ومن المياه المعاد استخدامها إلى توربينات الأسطح، تزداد قوة هذه الحركة يومًا بعد يوم.

في الواقع، فإنه يمتد على طول الطريق إلى الأرض. حلبة الرقص، هذا هو.

كما ترون، هناك كمية هائلة من الطاقة المتولدة عندما يقفز العشرات أو المئات من الأشخاص بشكل متكرر على الإيقاع. حتى الآن، تبددت تلك الطاقة في الأرض وكل ما يكمن تحتها. ولكن ماذا لو كان بإمكانك تسخيرها بطريقة أو بأخرى؟

مع "الكهرباء الضغطية" يمكنك ذلك. يبدو أن هناك مواد معينة في هذا العالم، تعتمد على الكريستال والسيراميك، والتي تولد القوة الكهربائية عند وضعها تحت الضغط. إذا وضعت هذه المواد في مكان حيث ستتلقى قصفًا مستمرًا - على سبيل المثال، في أرضية نادٍ للرقص - فلديك طريقة للاستفادة من هذا القصف وإنتاج كهرباء صالحة للاستخدام. والواقع أن شركات مثل نادي الرقص المستدام في روتردام تفعل ذلك بالفعل، حيث تقوم بتركيب أرضيات رقص مضيئة تعمل في الواقع بالطاقة الذاتية.

لا يقتصر الدفع الكهرضغطي على نوادي الرقص. هناك محطة للسكك الحديدية في طوكيو تستخدم هذا التأثير لتشغيل لوحات العرض وبوابات التذاكر، ورصيف في باريس يضيء أضواء الشوارع.

في جامعة كورنيل للعلوم والتكنولوجيا بمقياس النانو في إيثاكا، نيويورك، هناك خطط جارية لجلب كل هذه المواد الكهرضغطية الرائعة إلى عالم المستهلك، وإن كان ذلك بأسلوب مختلف بعض الشيء. اسم المجموعة هو MicroGen Systems, Inc، ويبدو أن الأشخاص المشاركين فيها سيبقون فيها لفترة طويلة. يخبرنا الرئيس التنفيذي مايك بيروتا أن الشركة تأسست في عام 2007 وتم تأسيسها في عام 2010 بعد "توقيع عقد استثمار كبير". تقدر بيروتا ساعات العمل حتى الآن في نطاق 20000 ساعة.في قلب هذه الدفعة توجد تقنية حصاد الطاقة الاهتزازية الكهرضغطية (PZEH) الخاصة بشركة MicroGen. وفقًا لشركة MicroGen، فإن هذا المفهوم سيطيل عمر البطارية القابلة لإعادة الشحن أو يلغي الحاجة إلى البطاريات تمامًا. أحد البدائل المبكرة هو "BOLT060 MicroPower Generator"، وهو أداة صغيرة جدًا تشبه وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر. إنه يعمل فقط عن طريق الاهتزاز المطبق، ويجب أن يعمل نظريًا لمدة 20 عامًا أو أكثر.

لماذا تكنولوجيا الحصاد المصغرة القائمة على الاهتزازات؟

يقول بيروتا: "الاهتزازات موجودة في كل مكان، ولا تعتمد على اختلاف درجات الحرارة، أو الضوء، أو تردد الراديو، أو أنواع أخرى من المصادر". "كل شيء متصل بالكهرباء يهتز، والعديد من الأشياء لها توافق طبيعي حتى لو لم يتم توصيلها بالكهرباء. لقد أجرينا محادثات حول وضع هذه الأجهزة في معدة البقرة، مع جهاز استشعار لدرجة الحرارة وراديو لاسلكي، لمراقبة صحة الماشية وظروفها. لم أر أي شيء موصول بالماشية حتى الآن.

وبغض النظر عن البقرات، تتصور بيروتا تقنية MicroGen الكهرضغطية في مجموعة واسعة من التطبيقات ذات السحب المنخفض. "فكر فينا كمحطة طاقة صغيرة، ومن هنا جاء اسم MicroGen. سوف تتطلب المصابيح الكاشفة وما شابه ذلك قدرًا كبيرًا من الطاقة (بالنسبة لتقنيتنا) لإعادة شحنها. ومع ذلك، يمكنك الحصول على تطبيق مصباح يدوي على هاتفك المحمول ويعمل بشكل جيد جدًا.

"تعتبر مجففات الملابس مثالاً آخر، حيث تقيس تقنية الاستشعار الحالية فقط متوسط ​​الرطوبة للحمل بأكمله، وبالتالي تتطلب المزيد من الطاقة. يمكن الآن نقل المستشعر من خلال تشغيل الجهاز، وبالتالي الإشارة بدقة أكبر إلى رطوبة الملابس، وإيقاف المجفف بشكل أكثر دقة. وهذا سيوفر استهلاك كبير للطاقة. قد تكون أنظمة مراقبة ضغط الإطارات، الموجودة الآن في كل مركبة في أسواق الولايات المتحدة وكندا وأوروبا، قادرة على العمل بدون بطارية. إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن أنظمتنا ستستمر طوال عمر السيارة، وبالتالي تقليل عدد البطاريات في مكب النفايات. وهناك العديد من الأمثلة الأخرى، خاصة في المجالين الصناعي والتجاري، تستهدف تقليل استهلاك الطاقة وتحسين السلامة والأمن أيضًا.

يدعي بيروتا أن التكنولوجيا قادرة حاليًا على توفير 200 ميكروواط معتدل إلى حد ما، على الرغم من أنه يتوقع أن يتضاعف هذا الرقم وربما ثلاثة أضعاف على المدى القصير. ويمكن أن تساعد الكفاءة المتزايدة للأجهزة المحمولة أيضًا. يقول بيروتا: "لقد شهدنا بالتأكيد انخفاضًا كبيرًا في احتياجات الطاقة لهذه الأجهزة، بنسبة تتراوح بين 50 إلى 80 بالمائة، حتى على مدار العامين الماضيين". "نتوقع أن يستمر ذلك، وأن يزداد إنتاجنا من الطاقة لكل ملليمتر مربع. هدفنا في مجال المستهلك هو "الشحن التدريجي" للجهاز المحمول، بحيث لا تنفد البطاريات بسرعة بعد آخر عملية شحن بالقابس."

على المدى القريب، سيتم ربط أجهزة MicroGen إما ببطارية الحالة الصلبة أو بمكثف فائق. لكن الهدف النهائي، كما يقول، “هو أن نكون أقل استخدامًا للبطارية. ومع ذلك، فإن معظم ذلك سيعتمد على الاتجاهات المتعلقة بأجهزة الاستشعار واحتياجات طاقة الراديو اللاسلكية.

ويبقى أن نرى ما إذا كان حل MicroGen سيحقق هذه الأهداف، على الرغم من أن مجرد الإمكانات كانت كافية لإجبارها هيئة أبحاث وتطوير الطاقة بولاية نيويورك تمنح الشركة منحة بقيمة 1.2 مليون دولار شهريًا فقط منذ.

الحرارة المعلبة: حصاد الطاقة الحرارية

إذا كان تسخير الطاقة من موجات الراديو والاهتزازات يبدو أمرًا بعيد المنال، فهل فعلت عائلة جيتسون ذلك على الإطلاق؟ – جرب هذه الفكرة للحجم: الطاقة من حرارة الجسم.

ومع ذلك، فإن هذا هو بالضبط ما يعملون عليه في مركز تكنولوجيا النانو والمواد الجزيئية بجامعة ويك فورست. يُطلق على هذه التقنية اسم "الكهروحرارية"، كما تم تسمية نهج ويك فورست في مجال الطاقة الكهروحرارية "شعرت بالقوة." ويبدو أنه بمجرد لمس هذا القماش الغامض، تتحول حرارة الجسم إلى كهرباء حاضِر.

بعد ذلك سيخبروننا القمر لا مصنوعة من الجبن.

إذًا، ما هو شعور القوة هذا بالضبط؟ بالنسبة للمبتدئين، فهو يشبه القماش حقًا. نسيج مستقبلي، بالتأكيد، ولكن القماش على الرغم من ذلك. وهي مصنوعة من أنابيب نانوية كربونية مغلقة في ألياف بلاستيكية مرنة، ويمكن على ما يبدو أن يتم "لفها" حول أي شيء تقريبًا. يطلق عليها الأشخاص في ويك فورست اسم "القوة التي يمكن ارتداؤها". وبعد ذلك يقفزون في سفنهم الفضائية ويطيرون إلى مجرتهم الأصلية.

سوف نسمح لحامل الدكتوراه ديفيد كارول، أستاذ الفيزياء في جامعة ويك فورست ومخترع Power Felt، بشرح تفاصيل التعقيدات.

"تعمل موادنا بالطريقة التي تعمل بها أي وحدة كهروحرارية. تخيل أنك تحمل في يدك قضيبًا معدنيًا. يمكنك إمساكه بإحكام من أحد طرفي الشريط بينما يكون الطرف الآخر حرًا. الآن أصبحت الإلكترونات التي تشكل المعدن حرة الحركة، وتقوم يدك بتسخينها. إذن، تحت يدك تتحرك الإلكترونات بسرعة أكبر من الإلكترونات الموجودة في الطرف الآخر من الشريط. وهذا يعني أن هذه الإلكترونات سوف تنتشر بسرعة وتبتعد عن مصدر الحرارة. وبانتقالها إلى الطرف البارد، فإنها تترك وراءها عجزًا في الإلكترون في الطرف الساخن. إنها تخلق فائضًا من الإلكترونات في الطرف البارد. وهذا ينشئ جهدًا، يسمى الجهد الكهربائي الحراري، وطالما أن هناك اختلافًا في درجة الحرارة، فإن هذا الجهد موجود.

تصور بطارية قابلة لإعادة الشحن تعتمد على إعادة الشحن "العادي" ولكن من المحتمل أيضًا أن يتم تعزيزها من خلال دمج تجميع الطاقة البدائل، وتبدأ في تكوين فكرة عما قد يخبئه المستقبل. "المشكلة هي أن الطرف الآخر يسخن في النهاية بسبب الموصلية الحرارية من المعدن. باستخدام الكثير من الألياف النانوية في مصفوفة بلاستيكية، بدلاً من القضيب المعدني، لا يزال بإمكان الإلكترونات التحرك إلى أسفل الممرات المعدنية للألياف، ولكن الحرارة تكون مسدودة لأنها لا تنتقل عبر الوصلات من الألياف إلى الألياف. هذه هي الطريقة التي صنعنا بها الأقمشة لدينا. أليافنا "المعدنية" هي أنابيب نانوية كربونية. وداخل الأقمشة توجد طبقات فوق طبقات من الألياف الإلكترونية النانوية، مما يسمح للإلكترونات والثقوب بالتدفق بحرية.

يمجد كارول فضائل اختراعه ولكنه واقعي تمامًا. ويقول إنه لن يستبدل البطاريات. ليس الان على اي حال. كما أنها لن تنجح ما لم "توجد مناطق واسعة من التدرج في درجات الحرارة". جسم الإنسان هو مكان عملي. وكذلك الحال بالنسبة لغطاء السيارة أو مقاعد الطائرة.

"سيجعل استخدام البطاريات الأقل تكلفة أكثر جاذبية من منظور السوق. بشكل عام، بالنسبة للإدراج في السوق، لا ترغب في إجراء تغييرات كبيرة جدًا وبسرعة كبيرة جدًا، لذلك سوف يقترن ذلك بتقنيات البطاريات الحالية. سوف تستمر هواتفك المحمولة لفترة أطول بشحنة واحدة. قد تكون طائرة الركاب قادرة على استخدام مولدات داخلية أصغر، مما يوفر الوزن والمال.

على الرغم من أن Power Felt لن تقوم مطلقًا بتشغيل سيارة كهربائية أو أجهزة متعطشة للطاقة مثل الثلاجات (يخبرنا كارول أن السنتيمتر المربع ينتج "من نانو واط إلى أعشار ميكروواط، اعتمادًا على السُمك")، سيكون، على ما يبدو، قادرًا تمامًا على زيادة هياكل الطاقة الحالية في مثل هذه التطبيقات. يقول كارول: "تخيل تقليل وقت شحن سيارتك الهجين لأن استخلاص الحرارة يأتي من محرك التبريد، أو الركاب بداخله".

ويتطلع كارول أيضًا إلى بناء المنازل، قائلًا إن Power Felt يمكن أن يحل محل تغليف منزل Tyvek "لتوليد قدر كبير من الطاقة من خلال مجموعة شمسية غير مكلفة".

يقدم كارول حجة لـ Power Felt في عالم الهاتف المحمول أيضًا، مما يشير إلى أنه يمكن تضمين عينة منه في غطاء البطاريات عند نقطة التصنيع. بمجرد وضع البطاريات المذكورة على "شيء دافئ"، فإنها ستشحن ذاتيًا جزئيًا. ولكن مرة أخرى، حتى الآن على أي حال، يتعلق الأمر بزيادة شحن البطارية العادي بدلاً من استبداله. يسأل كارول: "هل زرت المطار يومًا ونفدت طاقة هاتفك؟ ألن يكون من اللطيف إجراء تلك المكالمة الأخيرة لشخص ما ليصطحبك؟ يمكن للقوة الناتجة عن حرارة جسمك أن تفعل هذا.

الرجل الجاري: حصاد طاقة الحركة البشرية

لقد رأينا حتى الآن ثلاثة مفاهيم تبدو جاهزة للمساعدة في تقليل اعتمادنا على مصادر الطاقة التقليدية، ولكنها بشكل عام لا تملك القدرة على استبدال تلك المصادر بالكامل. يستمر هذا الاتجاه في مدخلنا الرابع والأخير، وهو حصاد الطاقة "بالحركة البشرية" الميكانيكية الحيوية. هذا صحيح، هذه التكنولوجيا تستغل القوة من مجرد الحركة. هل تريد شحن جهاز Android الخاص بك؟ من الأفضل أن تبدأ بشرب تلك البيرة بشكل أسرع قليلاً.

وبغض النظر عن المزاح، فقد تبين أن حصاد الطاقة الميكانيكية الحيوية ليس بالفكرة الجديدة التي قد تبدو للوهلة الأولى. هل تتذكر تلك المصابيح الأمامية القديمة للدراجات التي تسحب الطاقة من مولد يستغل دوران إطاراتك؟ وكان ذلك مثالاً لائقاً تماماً -إن لم يكن متعباً إلى حد السخافة- لنفس العملية.

لكن في نصف الكرة الجنوبي، لديهم وجهة نظر مختلفة قليلاً حول هذا الموضوع. هنا، في مختبر القياسات الحيوية في معهد أوكلاند للهندسة الحيوية، يتجمع أناس متخصصون في الظلام (وفي الضوء أيضًا - وهذا ليس مكانًا للساحرات) لابتكار طريقة أفضل. يعتقدون أنهم عثروا عليه.

فكرتهم، على الأقل في البداية، تتخلص من عنصر الدراجة تمامًا وتطلب منك المشي (أو الجري) بدلاً من ذلك. يقدم بن أوبراين، من شركة SoftGen، الشركة التي بدأت تنبض بالحياة حاليًا حول هذا المفهوم، مزيدًا من المعرفة.

"بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المحمولة، نريد التقاط الطاقة المهدرة بحيث لا يشعر المستخدم بالحمل الإضافي. على سبيل المثال، عندما نتجول، ينضغط باطن أحذيتنا. يتطلب هذا الضغط طاقة، وهي الطاقة التي تُفقد على شكل حرارة. إذا استبدلنا جزءًا من النعل بمولد ناعم، فيمكننا التقاط هذه الطاقة وتحويلها إلى كهرباء.

مثل جميع التقنيات التي عرضناها، كانت فكرة SoftGen الأساسية معنا منذ بعض الوقت بالفعل. في حالة "مولدات ضربات الكعب"، كما يطلق عليهم، يمتد هذا الإطار الزمني إلى عقود من الزمن. لكن SoftGen أضافت تجعدًا جديدًا على شكل “مولدات العضلات الاصطناعية”. اخترع في كاليفورنيا في مطلع القرن العشرين الألفية الجديدة، فإن مولدات العضلات الاصطناعية، كما يعتقد أوبراين ورفاقه، هي الشرارة التي تأخذ مولدات ضربات الكعب إلى عالمنا. مستقبل.

يوضح أوبراين: «الفكرة الأساسية هي تطبيق شحنة كهربائية على غشاء مطاطي مشوه. عندما يتم استرخاء التشوه، يتم تعزيز الشحنة إلى حالة طاقة أعلى. ومن خلال تدوير التشوه والتحكم عند تشغيل وإيقاف الشحن، يمكنك توليد طاقة بكثافة طاقة تعادل 10 أضعاف كثافة الطاقة التي توفرها التقنيات المنافسة. كل هذا بشيء بسيط مثل قطعة من المطاط. "تكمن الحيلة، وهذا هو المكان الذي تأتي فيه مجموعتنا التحكم في هذه المولدات لإنتاج طاقة مفيدة باستخدام دوائر صغيرة بما يكفي وخفيفة الوزن بما يكفي للحمل التطبيقات."

يقلل أوبراين من مفهوم المستقبل الخالي تمامًا من البطاريات، قائلاً إن الطاقة تحتاج إلى "تنعيمها" وتخزينها لفترات من النشاط الأقل. أما بالنسبة للأهداف المبكرة "البسيطة" لعلامة SoftGen التجارية الخاصة بحصاد الطاقة، فيقول أوبراين إن مولدات ضربات الكعب "يمكنها تشغيل الأضواء الساطعة من أجل السلامة في الليل، الإلكترونيات المدمجة في الحذاء (على غرار مجموعة منتجات Nike+)، والمراقبة الطبية لأطباء الأقدام"، مضيفًا أن "مكانتنا الخاصة منخفضة الطاقة التطبيقات. نحن نعمل على توفير هذه التكنولوجيا في منتج استهلاكي حقيقي قريبًا.

يبدو أنه لا يوجد نقص في الطاقة التي يمكن الوصول إليها عندما تلمس الأرض. في طاقة الجري وأحذية الجري، مارتن ر. تدعي Shorten أنه قد يكون هناك ما يصل إلى 10 جول (1 جول = الشغل المطلوب لإنتاج واط واحد من الطاقة لمدة ثانية واحدة) من الطاقة المهدرة لكل خطوة. هذه، بالطبع، موسيقى لآذان أشخاص مثل أوبراين. "من الناحية النظرية، إذا تمكنت من التقاط كل هذا، فيمكنك شحن هاتف ذكي بالكامل من حذاء واحد خلال نصف ساعة من الجري. ولن تشعر بأن حذائك مختلف عما هو عليه الآن.

يرحب أوبراين بتقنيات حصاد الطاقة البديلة، مدركًا أن ما قد يكون مناسبًا تمامًا في مواقف معينة أو مع أشخاص معينين لن يكون حلاً سحريًا للجميع. "إن الشيء العظيم في قوة الحركة البشرية هو أنها متاحة دائمًا حيثما نكون. قد لا يكون هذا مشكلة كبيرة عندما تعود إلى المنزل في نهاية اليوم وتتمكن من الوصول بسهولة إلى الحائط ولكن مع تزايد عدد الأجهزة الإلكترونية التي نحملها، يصبح شحنها أمرًا مزعجًا الجميع. الآن فكر في جميع الأوقات التي لا تكون فيها بالقرب من مقبس الحائط، أو إذا كنت مسافرًا إلى بلد به مقابس مختلفة، أو كنت قد خرجت عن الشبكة - أثناء المشي أو المشي لمسافات طويلة - أو بسبب ضعف البنية التحتية أو بعد أ كارثة. وفي كل هذه الحالات، تصبح قوة الحركة البشرية مفهومًا جذابًا للغاية.

[حقوق الصورة: معهد أوكلاند للهندسة الحيوية]

العودة من المستقبل

في وقت سابق من هذا المقال، ناقشنا الضجة الإعلامية المحيطة بنموذج حصاد الموجات الراديوية في جامعة بيدفوردشير. لقد علمنا منذ ذلك الحين أن بن ألين وفريقه ما هم إلا واحد من العشرات من هذه الفرق في جميع أنحاء العالم التي تعمل على مجموعة متنوعة من تقنيات حصاد الطاقة المحيطة صغيرة النطاق.

ومع ذلك، فإن معظم هذه المفاهيم لا تزال بعيدة كل البعد عن أن تصبح وقت الذروة بالكامل. في الواقع، ليس هناك نقص في الأشخاص الذين يدعون أن أساليب معينة لحصاد الطاقة الصغيرة لن تكون أبدًا حلاً قابلاً للتطبيق بشكل جدي. Mosey على مواقع مثل منتدى الفيزياء، على سبيل المثال، حيث ستجد مجموعة من الأشخاص ذوي المعرفة العلمية الفائقة يتحدثون عن هذا الموضوع - والعديد منهم لا يتوصلون إلى استنتاجات إيجابية.

المشكلة الأساسية، كما تناولنا سابقًا، هي أن المصدر ضعيف نوعًا ما. عندما تحتاج إلى الواط ويقوم جهاز الحصاد بتوليد مجرد نانوية أو ميكروواط، فمن الواضح أن هناك فجوة كبيرة. ويمكن سد هذه الفجوة ببعض التقدم التكنولوجي (الحصاد)، من خلال مزاوجة تقنيات متعددة معًا، أو عن طريق الاحتفاظ بجهاز مخصص لتخزين الطاقة (بطارية) من بعض الأوصاف بشكل دائم في معادلة. لكن كل هذه الحلول تضيف إلى الحجم والتعقيد والتكلفة ووقت البحث والتطوير.

علاوة على ذلك، فإن فكرة أن أيًا من التقنيات أو مجموعة التقنيات التي عرضناها ستكون كذلك استبدل الطاقة التقليدية تمامًا في الأجهزة عالية السحب (المصابيح الكهربائية والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية وما إلى ذلك). خيالي في أحسن الأحوال.

وفي غضون ذلك، تستمر تقنيات أخرى راسخة بالفعل في التطور ــ ويمكن القول إن الطاقة الشمسية هي أفضل مثال على ذلك. أصبحت تطبيقات الطاقة الشمسية على نطاق واسع الآن شائعة، ولكن الطاقة الشمسية على نطاق صغير موجودة بالفعل - ويبدو أنها تعمل على ما يرام. لا يحتاج المرء إلا إلى استكشاف العدد الهائل من أجهزة الراديو والمصابيح الكهربائية المجهزة بالطاقة الشمسية وحتى أجهزة شحن البطاريات الموجودة حاليًا في السوق لمعرفة عدد الشركات التي قفزت بالفعل في اللعبة.

ولكن في عالم يمضغ السلطة كما يمضغ الكلب شريحة لحم طرية، فمن الواضح أن هناك حاجة متزايدة إلى "بديل" الطاقة التي لا تعتمد على الشمس (أو الرياح) - حتى لو كانت هذه الحلول معززة للمصادر التقليدية، أو لكل منهما آخر. مع الأخذ في الاعتبار أن كل واحدة من هذه التقنيات مناسبة على ما يبدو لمجموعة واسعة من التطبيقات - وعندما تؤخذ كمجموعة يبدو أنها تغطي جميع القواعد تقريبًا - فنحن نرى مستقبلًا مشرقًا على المدى الطويل لأولئك الذين يمكنهم تكييف أفكارهم بشكل أفضل عبر العالم نطاق.

توصيات المحررين

• كاليفورنيا لديها مشكلة انقطاع التيار الكهربائي. هل يمكن أن تكون بطاريات التدفق العملاقة هي الحل؟
• الليثيوم أيون هو مجرد البداية. إليكم نظرة خاطفة على مستقبل البطاريات
• سيتم تشغيل شبكة المستقبل بواسطة... مزمار القربة الجوفية العملاقة؟
• يتم تشغيل البطارية الورقية المتطورة بواسطة البكتيريا التي تقوم بتجميع الإلكترونات