Vědci koketují s novým zdrojem energie. S lidským tělem

Inženýr Aidin Delnavaz si přilepil na tvář od ucha k bradě tenkou pásku, od níž vedl drátek k wattmetru. Pak si strčil do pusy žvýkačku a chvilku žvýkal. Jeho kolega Jeremie Voix zatím pečlivě sledoval ručičku přístroje. Za minutu se ustálila. „Osmnáct, vyrobil jsi energii o výkonu osmnáct mikrowattů,“ oznámil Voix výsledek.

Tak nějak mohl probíhat v laboratoři montrealské École de Technologie Supérieure jednoduchý pokus, jímž vědci chtěli ověřit možný způsob, jak vyřešit potřebu dobíjení baterií v energeticky nenáročném přístroji, konkrétně v naslouchadle.

Svůj experiment popsali Delnavaz a Voix v časopise Smart Materials and Structures. Ona páska využívala piezoelektrický jev – schopnost některých materiálů vyrábět elektrický proud při stlačení či natažení. Prototyp, který měl na bradě inženýr Delnavaz, svým výkonem stačil pokrýt jen dvacetinu toho, co by bylo třeba k nabití baterie pro naslouchací přístroj. Ovšem je to jen začátek procesu, na jehož konci by mohla být zařízení schopná takovéto menší přístroje zásobovat energií bez potřeby výměny či dobíjení baterií.

„Prošli jsme všechny možnosti, jak potřebnou energii získat z dostupných zdrojů na hlavě,“ vysvětlil Voix. Dvojice vědců zkoumala přirozené teplo ve zvukovodu a bezděčné pohyby hlavy, krku a ramenou. To proto, aby velení proudu k naslouchadlu či kochleárnímu implantátu bylo co nejkratší, a omezilo tak ztráty.

„Nejúčinnější se ale ukázala dolní čelist s bradou. Díky jejím pohybům při mluvení a žvýkání je možné ,sklidit‘ spoustu energie, a tak jsme se rozhodli ji zapřáhnout,“ řekl.

„Výkon piezopásky je možné naprosto jednoduše zvýšit její multiplikací. Při dvaceti vrstvách se dostaneme na tloušťku pásky šest milimetrů a výkon 200 mikrowattů, což dodá dost energie pro inteligentní přístroj na zesílení zvuku nebo ochranu sluchu,“ dodal.

Delnavaz nosil prototyp mnohavrstevné pásky „dlouhé hodiny“ a necítil žádné omezení, které by komplikovalo ať už žvýkání, nebo mluvení. „Není zapotřebí tuhá páska, náš prototyp byl dost flexibilní,“ řekl Delnavaz. Za den byl vynález schopen poskytnout energetický výkon až 580 joulů, ten je ale možné zvýšit použitím efektivnějších materiálů.

„Denně jezdím do ústavu na kole a beru si samozřejmě cyklistickou helmu,“ poznamenal Voix. „Určitě by to stačilo k dobití třeba bluetoothového adaptéru.“ Vědci v závěru článku uvedli, že jim šlo jen o potvrzení koncepce sběru energie vyprodukované pohyby v oblasti hlavy.

Domnívají se, že využití je možné v situacích, kdy člověk z jiných důvodů má na bradě pásek, například dělníci na stavbě či obsluha těžkých strojů, kde je předepsaná ochranná helma a chrániče sluchu. Pokud bude další výzkum slibný, po této možnosti výroby energie nepochybně sáhne i armáda, kde se helma s integrovaným komunikačním zařízením stala nezbytným základním vybavením.

„Lze tak uvažovat o dostatečném výkonu pro kochleární implantát, ale k dobití mobilu to asi stačit nebude,“ uvedl v doprovodném článku Steve Beeby z univerzity v Southamptonu.

Otázka využití energie vyráběné pohybem lidského těla je předmětem zkoumání už delší dobu. Motivem není ani tak dobíjení mobilů jako bezproblémové fungování zařízení, které může rozhodnout o životě a smrti.

Profesor Beeby se snaží najít postupy, jak do oblečení přidat látky, které by přeměňovaly tepelnou energii vyzařovanou pokožkou nebo využívaly se stejným cílem pohyb údů. Jeho vizí je například vesta dodávající elektřinu lékařským senzorům, monitorujícím krevní tlak nebo další zdravotní ukazatele. Naměřené údaje se pak už snadno dají vyslat éterem třeba do ordinace lékaře. Takový systém by umožnil nejen okamžitý zásah v případě ohrožení zdraví, ale ušetřil by i náklady všeobecného zdravotnictví – řada návštěv v ambulanci by mohla odpadnout.

„Idea vychází z toho, že energie vytvářená běžnou chůzí či jiným pohybem, prováděným z libovolného důvodu, se v normální situaci vytrácí, například teplem. Jde o to ji zachytit a využít pro pohon elektroniky. A když budete v klidu, přístroje se přepnou na spánkový mód,“ vylíčil Beeby své výzkumy před -loni v relaci BBC.

Problém má dvě stránky působící proti sobě. Jedna věc je získání energie, její odčerpání a převod na využitelný proud. Tady je prioritou intenzita pohybu – čím víc se hýbáte, tím víc energie se dá sejmout. Jenže druhá stránka věci jde proti. „Oblečení se navrhuje tak, aby bylo pohodlné, ne aby pohyb ztěžovalo,“ připomenul Beeby.

„Odebírání energie by tedy mělo být situováno do míst, která se pohybují při většině činností, kde tělo musí vynakládat poměrně velké síly – například v nohou,“ poznamenal. „Na použití tkanin zajišťujících nejefektivnější odběr energie se tak nabízejí například ponožky nebo boty,“ dodal.

Revolučnějším zdrojem energie pro elektroniku může být samo tělo. Možnostmi využití krve, kolující v cévním systému, nebo pohybu vnitřních orgánů se zabývá southamptonský kardiochirurg Paul Roberts.

„Zkuste si přiložit dlaň na hrudník a ucítíte pravidelné údery srdce. Když při operaci držím pulsující srdce v dlaních a chtěl bych ho umlčet, jakkoli silný stisk tento orgán nezastaví – a to je v klidu, ne-li v oslabení,“ vyprávěl lékař ve stejném pořadu britské televize.

Roberts navrhl kardiostimulátor, který nepotřebuje výměnu baterií, protože energii si vyrábí sám. Obsahuje „obrácený“ elektromagnet – stahy srdečních komor pohybují jádrem v cívce, čímž vzniká slabý elektrický proud.

Z laického pohledu by se mohlo zdát, že nutit nemocné srdce k práci „navíc“ je riskantní záležitostí, ale kardiochirurg takové obavy vyvrátil. „Množství energie, kterou bychom mohli z úderů srdce odčerpat, se pohybuje kolem jednoho procenta. To je i pro velmi problémové srdce zanedbatelné zatížení, které se na jeho činnosti nemůže projevit,“ vysvětlil.

I tady je problém teoreticky vyřešený, ale v experimentech se zatím nepodařilo vyrobit dostatečné množství energie. Robertsův kardiostimulátor zatím produkuje 17 procent potřebné energie, a „věčný“ pacemaker je tedy stále v nedohlednu.

Prozaičtějším směrem probíhá výzkum na univerzitě v Cranfieldu, která je mezi britskými vysokými školami jedinečná svou orientací na vojenství. Alice Danielsová tam vyvíjí jakousi kolenní konzoli, která by vyráběla proud pro komunikační elektroniku vojáka.

„Chudák voják je dnes doslova ověšen přístroji, jejichž chod vyžaduje bateriový zdroj,“ řekla Danielsová. Přístroje potřebují, protože jim ulehčují jejich poslání a zvyšují jejich bezpečnost, ale těžké baterie je omezují v pohyblivosti,“ poznamenala. „Chci jim dát něco, co by je neomezilo v možnostech a ještě jim ulehčilo pohyb – autonomní systém.“

Vedle kolenní konzole, efektivní při chůzi, na univerzitě zkoušejí i generátor elektřiny jako součást torny či ruksaku, fungující na obdobném principu jako „samonatahovací“ hodinky. Třetím výzkumným programem je použití piezoelektrického materiálu na osobní výstroji vojáka.

Ekologické souvislosti možností výroby energie prostřednictvím vlastního těla jsou v centru výzkumu na londýnské Imperial College. Tamní vědci vidí šance na obrovskou úsporu energie ve veřejných objektech využitím informací od jednotlivců, kteří se tam v reálném čase pohybují.

„Energetická spotřeba osvětlení, topení a klimatizace ve velkých budovách by mohla být operativně upravována, kdyby systém vycházel z reálného stavu přítomných,“ soudí profesor Eric Yeatman. Pracuje na systému propojení osobních autonomních senzorů a centrálního řízení objektu.

„Představme si, že každý z lidí, kteří se pohybují ve velké administrativní budově nebo v průmyslovém podniku, bude mít v oděvu zabudovaný monitorovací systém, poháněný energií vyráběnou tím, jak se pohybuje. Kdyby se tento systém propojil s centrem, schopným informace od jednotlivců správně interpretovat, mohla by se například ušetřit energie na osvětlení prázdných chodeb, na vytápění prostorů dostatečně zahřívaných teplem vyzařovaným přítomnými osobami,“ vysvětlil Yaetman svou představu inteligentního prostředí, reagujícího na okamžitou situaci.

„To zajímavé na celé věci je skutečnost, že dokážeme-li správně využít informace získané za mikrowatty, můžeme v globálním pohledu ušetřit megawatty,“ shrnul.

Své o tom vědí energetici v Tokiu. Tisíce lidí, kteří o vánočních svátcích v roce 2012 šlapali po chodnících japonské metropole, nevědomky vyráběli elektřinu potřebnou pro slavnostní osvětlení města. Energetici totiž instalovali do dlažby piezoelektrické panely. Při každém šlápnutí dodaly do systému malé množství energie, ale v součtu to stačilo na všechnu zářící a blikající nádheru.