Pomysł wykorzystywania energii pochodzącej z ciała człowieka nie jest nowy. Idea ta zainspirowała np. twórców filmu "Matrix", w którym homo sapiens został sprowadzony przez maszyny do roli bateryjki. Jednak to, co dotychczas było czystą fantazją filmowców, jest traktowane przez uczonych jak najbardziej poważnie. W tej chwili trwają już prace nad urządzeniami, które będziemy nosić na sobie (lub w sobie) i które raz na zawsze uwolnią nas od ładowarek i baterii.
Gadżety te będą miały mnóstwo zastosowań. Dzięki nim przestaniemy się martwić o źródło zasilania dla naszych odtwarzaczy czy komórek. To jednak nic w porównaniu z pomocą, jaką uzyskają np. chorzy na serce. Dzisiaj osoby, które mają wszczepiony rozrusznik, muszą co kilka lat poddawać się kosztownej i niebezpiecznej operacji, przeprowadzanej tylko po to, by wymienić w rozruszniku baterię. Gdyby udało się znaleźć sposób na zasilanie go energią pochodzącą z ludzkiego ciała, tego typu kłopot przestałby istnieć.
Powstałoby też pole do popisu dla inżynierów. Można wyobrazić sobie całą masę implantów, które wszczepione raz na zawsze do naszego ciała chroniłyby nas przed chorobami. Przykładowo śledziłyby najmniejsze molekularne oznaki wskazujące na chorobę nowotworową lub zapowiadające atak serca. Odpowiednie implanty w mózgu wspomagałyby leczenie choroby Parkinsona lub chronicznego bólu. Pomagałyby też walczyć z otyłością, blokując nadchodzące z ciała sygnały o tym, że jesteśmy głodni.
Prąd z glukozy
Do tego wszystkiego jednak potrzebna jest energia. Możemy ją uzyskać na przykład z glukozy - cukru będącego najważniejszym źródłem mocy dla ludzkiego organizmu. Glukoza znajduje się we krwi i tam też musiałoby zostać umieszczone mikroskopijnych rozmiarów urządzenie, które produkowałoby prąd elektryczny. Wynalazek wykorzystujący energię chemiczną ma składać się z dwóch elektrod. Na jednej z glukozy będą uwalniane elektrony, które następnie popłyną na drugą elektrodę. Tam zajdzie reakcja z tlenem zapewniająca stałe generowanie prądu.
Podobną "biobaterię" (nienadającą się jednak do wszczepienia do ludzkiego ciała) wyprodukowała ostatnio firma Sony. Ogniwo Sony rozkłada glukozę na kwas polihydriksylowy i jony wodoru. Podczas tej reakcji powstają też wolne elektrony, zamieniane przez biobaterię na prąd. "Tego typu gadżet to elektryczna forma tasiemca" - mówi Thad Starner, specjalista z Georgia Institute of Technology w Atlancie. "Nie porusza się, niczego nie niszczy i pobiera ledwie ułamek składników odżywczych. Niestety z tego ostatniego powodu nie ma co liczyć na to, że urządzenia wykorzystujące do produkcji prądu glukozę pomogą nam schudnąć".
Na razie podobne wynalazki są testowane w laboratoriach. Uczeni zmagają się z problemem enzymów, które muszą znajdować się na obu elektrodach, by inicjować reakcje prowadzące do powstania prądu. Problem polega na tym, że enzymy te rozkładają się już po kilku dniach. Wtedy ilość produkowanej energii dramatycznie spada.
Prąd z serca i mięśni
Innym pomysłem na zamienienie ludzi w chodzące bateryjki jest stworzenie urządzenia, które będzie wykorzystywać energię kinetyczną. I to nie tylko tę pochodzącą z robienia kroków, ale również np. ze skurczów mięśni serca czy ze zginania ramion czy poruszania rękami.
Nad podobnym gadżetem pracują już inżynierowie z firmy Perpetuum wykorzystującej prace badawcze uczonych z University of Southampton. Na razie testowane przez nich urządzenie ma rozmiary pięć razy większe od docelowych. Jednak musi działać całkiem sprawnie, skoro Roy Freeland, prezes Perpetuum, nie chce nic powiedzieć na jego temat. "Jesteśmy już na takim etapie prac, który jest wrażliwy komercyjnie" - wyjaśnia.
Jak miałby wyglądać tego rodzaju gadżet? Jedni wskazują, że mógłby on wykorzystywać siłę bezwładności bijącego serca. Powodowałaby ona przesuwanie się specjalnej cewki przez pole magnetyczne, co prowadziłoby do powstawania prądu. Taki generator zamierza wypuścić na rynek brytyjska firma Zarlink Semiconductor. Ich "dziecko" ma mieć 20 lub 30 milimetrów długości i 6 milimetrów szerokości oraz wytwarzać 100 do 150 mikrowatów. "Mamy nadzieję, że nasz wynalazek będzie można znaleźć w sklepach już za pięć lat" - mówi Martin McHugh, dyrektor ds. rozwoju w Zarlink Semiconductor.
Innym sposobem na wykorzystanie energii kinetycznej jest zjawisko piezoelektryczności. Piezoelektryczność oznacza powstawanie ładunku elektrycznego na ściankach niektórych materiałów pod wpływem ich ściskania lub rozciągania. Materiałem takim mogą być na przykład mikroskopijnej wielkości przewody z tlenku cynku. Uczeni z Georgia Institute of Technology pracują nad nanogeneratorem, który składa się z mikrodrutów przykrytych przewodzącymi blaszkami. Pod wpływem nacisku z góry lub z dołu przewody uginają się, co powoduje przepływ prądu. Ponieważ ich średnica to jedynie 40 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa metra), są bardzo elastyczne, a więc łatwo się zginają. Dzięki temu urządzenie jest w stanie produkować stosunkowo dużo energii.
"Potrzebujemy jeszcze dwóch, trzech lat by nasz generator stał się użytecznym urządzeniem dającym prąd" - mówi Zhong Lin Wang, szefujący zespołowi z Georgia Institute of Technology. Uczony przewiduje, że gadżety wykorzystujące zjawisko piezoelektryczności w przyszłości zostaną zminiaturyzowne do tego stopnia, że będą wykorzystywać nie tylko ruch bijącego serca, ale i przepływ krwi w tętnicach oraz żyłach.
Prąd z gorąca
Urządzenia wykorzystujące energię chemiczną i kinetyczną wytwarzaną przez ludzkie ciało są na razie na etapie prototypów. Inaczej rzecz się ma w przypadku energii cieplnej. Inżynierowie z firmy Seiko już w 1998 roku temu zaprojektowali zegarek, który był zasilany ciepłem naszego ciała (patrz ramka). Zegarek ten trafił nawet do sklepów, ale był drogi i nieporęczny. Seiko zrezygnowało więc z jego sprzedaży.
Uczeni nie porzucili jednak pomysłu wykorzystania ludzkiego gorąca do produkcji energii. Dlaczego? Bo każdy z nas emituje w każdej sekundzie mnóstwo ciepła. Ocenia się, że samo czytanie tego artykułu to wydatek energetyczny około 100 watów. Gdyby choć część tej energii udało się "schwytać", moglibyśmy ładować komórki lub otwarzacze muzyczne, po prostu trzymając je w dłoniach lub przykładając do szyi (to części naszego ciała, przez które ucieka od 10 do 20 procent ciepła). Gadżety te wykorzystywałyby efekt termodynamiczny znany uczonym od 200 lat - powstawanie prądu dzięki różnicy temperatur między np. powierzchnią skóry a otaczającym nas powietrzem albo między dwiema częściami naszego ciała.
W tej chwili testowane są generatory, które znajdowałyby się w fabrykach, gdzie codziennie wydzielane są ogromne ilości ciepła. Jego część mogłaby zostać przechwycona i użyta do ponownej produkcji prądu. W przypadku ciepła ludzkiego ciała sprawa jest nieco bardziej skomplikowana. Otóż ilość uzyskanej energii maleje wraz ze zmiejszniem się różnicy temperatur między stykającymi się powierzchniami. Dużo prądu powstaje w warunkach, gdy różnice te sięgają 50 stopni, jednak z różnicy 5-stopniowej prototypy urządzeń „wyciskają” tylko około 100 mikrowatów. A w przypadku ludzkiego ciała te różnice są jeszcze mniejsze.
Jednak nawet mimo tych kłopotów prawdopodobieństwo, że już niedługo będziemy mogli zapomnieć o bateriach i ładowarkach do naszych komórek, jest całkiem spore. Niemieccy uczeni z Fraunhofer Institute for Integrated Circuits pracują już nad stworzeniem generatora, który "wyciśnie prąd" z różnicy temperatur tak minimalnej jak 0,5 stopnia. Tego typu temperatury często zdarzają się na granicy naszego ciała i otoczenia. Kiedy uda im się go wyprodukować, widok ludzi przykładających sobie komórkę nie do ucha, ale do szyi, nie będzie nikogo dziwił.
Zegarek wykorzystujący ciepło ludzkiego ciała
Na razie do sklepów trafiło tylko jedno urządzenie, które wykorzystywało energię cieplną wydzielaną przez organizm człowieka. Był to rewolucyjny zegarek Seiko Thermic. Jego premiera miała miejsce w grudniu 1998 roku, a na nabywców czekało jedynie 500 numerowanych sztuk gadżetu. Zegarki Seiko Thermic były bardzo drogie - kosztowały 300 tys. jenów, czyli około 7,5 tys. zł. Klientów nie zniechęciły jednak ani cena, ani spore rozmiary (42 na 54 mm) i waga Seiko Thermic. Unikatowa seria zegarków rozeszła się w kilka miesięcy.
Kwarcowy Thermic, po pełnym naładowaniu, mógł pracować przez 10 miesięcy. Gadżet wyposażono w specjalny system oszczędzania energii. Na przykład, gdy zegarek tykał już resztkami sił, samoczynnie przechodził w stan uśpienia, zapamiętując jednocześnie godzinę.
Ponieważ wydajność ładowania zależy od różnicy temperatury między nadgarstkiem a otoczeniem, mechanizm ładujący działał najsprawniej, gdy dookoła było chłodno. Właściciele Seiko Thermic, którzy znajdowali się w tropikach, mieli jednak ze swoim zegarkiem sporo kłopotów. Jeden z nich wsiadł na przykład do nagrzanego na słońcu samochodu. Wtedy ze zdumieniem zauważył, że wskazówka sekundowa jego zegarka zatrzymała się na godzinie czwartej. Okazało się, że Seiko Thermic zachowywa się tak zawsze, gdy temperatura otoczenia była wyższa niż temperatura ciała człowieka.
Ostatecznie z powodu wysokiej ceny i dużych rozmiarów Seiko zrezygnowało z produkcji cieplnego zegarka.
Bateria nakarmiona cukrem
Pomysł zamiany cukru na prąd to już nie tylko teoria. Pod koniec sierpnia tego roku firma Sony poinformowała o stworzeniu biobaterii, która - w dużym uproszczeniu - generuje prąd z rozkładu glukozy. Bateria ta co prawda nie wykorzystuje składników odżywczych z ludzkiego ciała, jednak zasada jej działania jest dokładnie taka sama jak prototypów generatorów, które w przyszłości mogą zostać użyte np. w rozrusznikach serca.
Pojedyncze ogniwo biobaterii składa się z dwóch przedzielonych celofanem komór. W jednej znajdują się enzymy (czyli związki przyspieszające reakcje chemiczne) rozkładające cukier. Po naładowaniu baterii cukrem, enzymy trawią jego cząsteczki. Z rozkładu glukozy powstają kwas polihydroksylowy (glukonolakton, PHA), jony wodoru oraz wolne elektrony.
Elektrony są wyłapywane przez pierwszą elektrodę. Wolne jony wodoru przenikają przez celofan do drugiej komory baterii, gdzie znajduje się druga elektroda. Tu obecne są inne enzymy, które łączą wodór z atomami tlenu, tworząc wodę. Podczas tego procesu elektrony nieustannie przepływają między dwiema elektrodami po zewnętrznym obwodzie elektrycznym. W ten sposób powstaje zasilający urządzenie prąd.
Skąd pomysł, by biobateria była napędzana właśnie cukrem? Jak wyjaśniają inżynierowie Sony, jego zasoby są praktycznie niewyczerpalne. Cukry są nieustannie wytwarzane w procesie fotosyntezy przez rośliny, którym nie potrzeba do tego nic oprócz wody, dwutlenku węgla i słońca. Tym samym nie będzie problemu z wielokrotnym tankowaniem wynalazku oraz jego wielokrotnym wykorzystywaniem.
A co najważniejsze, zaprezentowana przez japońskich inżynierów bateria jest w stanie wytwarzać prąd o napięciu 50 miliwoltów. To wystarczy do zasilania przenośnego odtwarzacza MP3.
