IT-байки: Самонадевающиеся штаны? Нет, самозарядная электроника!

Я говорил ему тысячу раз: "Вы программируете стандартного суперэгоцентриста. Он загребет все материальные ценности, до которых сможет дотянуться, а потом свернет пространство, закуклится и остановит время".
© Аркадий и Борис Стругацкие. "Понедельник начинается в субботу"

Во все времена и эпохи человечество искало простые и недорогие способы добычи энергии. От рабов и тягловой скотины античности до водяных мельниц средневековья, паровых двигателей века XIX, электричества и атома века XX – вот так одной строкой можно описать гигантский путь нашей энергетической цивилизации. Впрочем в наш динамичный век глобальных путешествий, закоренелого индивидуализма и карманной электроники гораздо более актуальным становится вопрос персональной автономности и независимости от внешних источников энергии. Скоропостижно скончавшаяся батарейка в плеере, не вовремя севший акумулятор в мобильнике, фотокамере или ноутбуке – вот настоящая трагедия, по сравнению с которой многие другие проблемы отступают на второй план, особенно в дороге. Описанию самых различных ухищрений для сохранения личной электрической независимости посвящено множество статей публикаций нашего сайта. Более того, относительно недавно эта тема раскрывалась в отдельной публикации IT-байки: заряжай мобильник силой… коленки. И мысли, где рассматривались мыслимые и немыслимые способы использования мускульной энергии для питания персональной техники. Замечательная, кстати, идея – покрутить немного педали, рукоятку или рычажок чтобы оставаться на связи, оживить плейер или смартфон, с одним досадным "но" – крутить придётся, скорее всего, в ущерб сну или отдыху, а великолепные "наколенные" генераторы для зарядки во время ходьбы пока лишь в стадии разработки. В последнее время всё чаще возникает острое желание рассказать нашим читателям о гигантских успехах учёных в разработке автономных источников электричества, добытого непосредственно из солнечных лучей. Успехи, достигнутые в последние годы в разработке современных солнечных батарей, действительно грандиозны: значительно вырос КПД таких источников, появилось множество розничных предложений, да и цены постепенно приходят в норму. Увы, жителям средних и северных широт это знание интересно лишь отчасти, ибо пользы от него немного, да и то лишь в ограниченный сезон. Других способов простого и необременительного получения дармовой энергии в пути что-то и не припоминается. Однако сегодня – только хорошие новости, и что приятно – для всех, ибо сегодняшняя новость о способах использования нового научного открытия никак не зависит от местоположения пользователя на нашей планете. Сегодня поговорим об открытии, которое выводит старое доброе пьезоэлектричество (сегнетоэлектричество) в число потенциально эффективных способов автономной добычи энергии.

---

Работа коллектива учёных под руководством профессора Тахира Кагина (Tahir Cagin) из Сельскохозяйственного и политехнического Университета Техаса (Texas A and M University) под названием "Enhanced Size-Dependent Piezoelectricity And Elasticity in Nanostructures Due to The Flexoelectric Effect", опубликованная в последнем номере журнала Physical Review B, сообщает неожиданно интригующий факт. Пьезодатчик при подборе специфической толщины материала в десятки нанометров позволяет добиться пикового прироста мощности генерируемого тока на 100%! Научно-популярная пресса тут же поспешила раструбить об эффекте этого открытия, пользуясь аналогиями, наиболее понятными широкой публике. Так, наиболее широко тиражируемой моделью использования новой технологии стала идея… питания мобильного телефона от колебаний мембраны пьезоэлектрического микрофона во время разговора. Звучит, безусловно, очень красиво, идея сразу же обретает выпуклость и быстро находит живой отклик. Но всё же давайте не спешить и попробуем разобраться в сути, отделив зёрна от плевел. В этом месте немного переведём дух и, на всякий случай - совсем небольшой ликбез. Пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики – диэлектрические материалы, способные генерировать электричество в зависимости от приложенного к ним механического воздействия, известны человечеству достаточно давно, хотя серьёзное их исследование было начато лишь в XVIII веке, и только в 1880 году прямой пьезоэлектрический эффект был продемонстрирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Наиболее известные пьезоэлектрики – это некоторые кристаллические структуры, разновидности керамик, хотя в последнее столетие список значительно пополнился искусственно синтезированными материалами. Пьезоэлектрический эффект реверсивен по своей природе. В случае приложения нагрузки к пьезоматериалу наблюдается прямой пьезоэлектрический эффект, генерируется электричество. И наоборот: приложение электричества к такому материалу вызывает обратный пьезоэлектрический эффект, в результате чего материал деформируется. В настоящее время известны десятки различных способов компоновки одно- и многослойных пьезоэлектрических материалов, известны сотни пьезо- и сегнетоматериалов, тысячи способов их применения. Пьезоэлектрики используются в виде датчиков и излучателей звука и ультразвука, генераторов высокого напряжения и высокочастотных колебаний, сверхточных двигателей для прецизионной оптики и многого другого. Мы каждый день сталкиваемся с пьезоэффектом, который проявляет себя в печатной головке струйного принтера, "пищалке" будильника, звукоснимателе для гитары, детекторах, автомобильных системах зажигания, акустических колонках и тысячах других бытовых, медицинских и научных устройств. Более того, многие из нас каждый день носят обычный пьезоэлектрический прибор в кармане – именно с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта, путём преобразования механического воздействия большого пальца на головку зажигалки, мы получаем высоковольтный импульс, благодаря которому возникает искра и зажигается огонёк бытовой газовой пьезоэлектрической зажигалки. Однако достаточно прописных истин, вернёмся к сути изобретения учёных из Texas A&M University. Не надо открывать Америку, чтобы на собственном опыте убедиться: обычный пьезоэлектрический микрофон способен не только превращать звуковые волны в электромагнитные колебания, но также генерировать звук при подаче сигнала на его электроды. Мысль использовать пьезокерамику для преобразования звуковых волн в практически бесплатное во многих случаях "звуковое" электричество так же не нова. К примеру, благодаря флексоэлектрическому эффекту, получаемому с помощью монтажа "пьезо-уровня" под танцполом, некоторым развлекательным заведениям Европы даже удаётся стать немного более "зелёными" и сэкономить на счетах за электричество. Также в Сети можно найти новость о том, что один из гимнастических залов Гонконга уже оснащён подобной технологией и позволяет превращать механическую энергию в электричество для освещения и музыкального сопровождения. И всё же при всех плюсах хитроумной реверсируемой пьезокерамической технологии никакого вразумительно компактного зарядного устройства, скажем, для мобильника, с нынешними пьезоэлектриками не сотворить. Даже любопытные "науковеды", разбиравшие пьезоэлектрические зажигалки, могут подтвердить: электричеством такой пьезоэлектрик может тряхнуть ощутимо, напряжение на выходе получается впечатляющее. К примеру, всего лишь один кубический сантиметр кварца при правильно приложенной силе способен выдать разряд до 12500В. Другое дело что ток при этом получается плачевно мизерный, ни о каком ощутимом процессе заряда аккумулятора или питания электрической схемы говорить не приходится. Даже если вы будете методично колотить пьезоэлементом об стенку, не говоря уж о потенциале "зарядочной энергии" от звука вашего голоса. Есть ли в вашем распоряжении полгектара под танцпол, под которым установлены тысячи условных "пьезозажигалок"? Это вряд ли. Совсем другое дело когда речь идёт о наномасштабах. Пьезокерамические резонаторы, масштабированные до единиц и десятков нанометров, вполне сносно могут справиться с ролью источника энергии для соответствующих масштабов электронных схем и даже с зарядкой батарей для такой электроники. Учёным из Texas A&M University опытным путём удалось установить параметры, при которых достигается максимальный эффект генерации электричества. Для этого, во-первых, необходимы специфические пьезорезонаторы, созданные из PZT-материала (Perovskite lead zirconate titanate) – так обычно называют целое семейство сегнетоэлектрических композитных керамик с общей формулой (Pb[ZrxTi1-x]O₃ 0