Незначительный слой влаги из воздуха стал источником электроэнергии: новый прибор функционирует на основе обычных компонентов, таких как соль и желатин. В отличие от стандартных электронных устройств, которые содержат пластик и токсичные металлы, данный генератор полностью разлагается в природе.
Ирина Медведева
Фотографии светодиодных демонстрационных экранов, работающих от массива из 10 блоков. Источник фото: Queen Mary University of London
Представьте себе мир, в котором источником питания для вашего умного пластыря или датчика на грядке служит не литиевая батарея с опасными компонентами, а просто влажный воздух. Это не сценарий далёкого будущего, а реальность, описанная группой британских исследователей.
Их влагоэлектрический генератор (МЭГ) бросает вызов самой идее электронного мусора, доказывая, что высокая производительность не обязательно требует использования пластика или токсичных металлов.
Суть изобретения поражает своей элегантностью: желатин, соль и активированный уголь смешиваются, высыхают, образуя трёхслойную «пенку», которая начинает работать от контакта с обычной влажностью. Это открытие знаменует собой не просто техническую новинку, а сдвиг парадигмы в сторону «циркулярной электроники», где устройство не заканчивает жизнь на свалке, а возвращается в природу без следа.
Исследователи из Лондонского университета Королевы Марии, Уорикского университета, Имперского колледжа Лондона и Университета Меркаторум создали стабильный и безопасный для окружающей среды влагоэлектрический генератор (МЭГ). Устройство состоит из желатина, поваренной соли и активированного угля.
«Для носимых датчиков, используемых в сельском хозяйстве и мониторинге окружающей среды, всё чаще требуются источники питания, способные работать в условиях высокой влажности без необходимости частой замены батарей. Это особенно актуально для пластырей, закрепляемых на коже, и удалённых узлов, которые трудно извлечь», — отмечается в новом исследовании.
«Влагоэлектрические генераторы могут преобразовывать окружающую и физиологическую влагу в электричество, однако многие существующие системы основаны на устойчивых полимерах или сложной архитектуре, что затрудняет их масштабируемое и экологически ответственное внедрение», — утверждают исследователи.
Согласно статье, опубликованной в журнале Nano Energy, один блок устройства непрерывно вырабатывает электрическую мощность около 1 вольта в течение более 30 суток, поглощая влагу из воздуха. При последовательном соединении нескольких модулей команда смогла увеличить выходные показатели до 90 вольт и 5,08 миллиампер, чего достаточно для питания 40-ваттной светодиодной гирлянды.
Такой подход превращает атмосферную влагу из фактора, ограничивающего возможности электроники, в полноценный источник энергии. В производстве МЭГ используется водная технология и широко доступные нетоксичные материалы, что делает его альтернативой обычным батареям с низким воздействием на окружающую среду, особенно на фоне роста объёмов электронных отходов в мире.
Это прямой мост между теоретической экологичностью и практической полезностью. Теперь разработчикам предстоит решить задачу масштабирования: как сделать производство таких плёнок дешёвым и массовым, сохранив при этом их эффективность.
Если это удастся, то в ближайшие годы мы можем стать свидетелями того, как привычные батарейки в умных часах, сельскохозяйственных датчиках или в упаковке для пищевых продуктов уступят место тонкой, безопасной и, буквально, дышащей плёнке, получающей энергию прямо из воздуха. Это не просто изобретение — это переосмысление того, что такое электроника и как она может гармонично существовать с природой.
Какие функции обеспечивает перемещение ионов внутри материала
«Нашей целью было переосмыслить принципы проектирования и производства электронных материалов», — заявил доктор Димитриос Папагеоргиу, автор исследования. «Эта работа показывает, что высокоэффективные энергетические устройства можно изготавливать из недорогих и экологически чистых материалов. Способность системы на основе желатина вырабатывать значимую электрическую мощность подчёркивает масштабируемость данного подхода».
Под воздействием влажности воздуха или кожи человека такая структура обеспечивает перемещение ионов внутри материала, что приводит к генерации электричества, утверждает interestingengineering.com.
«Для получения высокого напряжения обычно требуются сложные производственные процессы или дефицитные материалы», — отметил доктор Мин Донг, первый автор исследования из Лондонского университета Королевы Марии. «Работа демонстрирует, что можно добиться высоких эксплуатационных характеристик, используя простые и экологичные компоненты».
Помимо сбора энергии, материал функционирует как датчик, совместимый с кожей. Поскольку его электрическая мощность реагирует на незначительные изменения влажности, система способна распознавать физиологические сигналы, связанные с изменениями влажности.
Таким образом, потенциал генератора выходит далеко за рамки простой «зелёной» альтернативы батарейкам. Как отмечают авторы исследования, материал проявляет свойства не только источника тока, но и датчика.
Его электрическая мощность крайне чувствительна к малейшим колебаниям влажности. Это открывает фантастические перспективы для медицины и биометрии. Устройство может в реальном времени отслеживать частоту и глубину дыхания, улавливая разницу во влажности выдыхаемого воздуха.
Исследователи показали, что прибор может распознавать речь по изменению влажности выдыхаемого воздуха и обеспечивать бесконтактное обнаружение приближения объекта. Эти возможности позволяют интегрировать систему в носимые мониторы состояния здоровья и интерфейсы взаимодействия человека с машиной без использования батарей.
Таким образом, мы получаем не просто источник питания, а пассивный сенсор, работающий без дополнительных затрат энергии, что особенно ценно для длительного мониторинга пациентов или спортсменов.
Экологическая безопасность устройства
После завершения использования устройство безопасно разлагается, в отличие от традиционной электроники, основанной на пластмассах и тяжёлых металлах. Устройство биоразлагается в почве в течение нескольких недель или растворяется в воде, что позволяет исследователям извлекать и повторно использовать компоненты без применения опасных химических веществ.
Такая конструкция поддерживает концепцию циркулярной электроники, где материалы возвращаются в окружающую среду или перерабатываются повторно. «Объединив желатин и соль, мы создали генератор, который работает, используя влажность окружающей среды в качестве единственного источника энергии», — заключил доктор Донг.
Экологический аспект этого генератора невозможно переоценить. На фоне глобального кризиса электронных отходов, когда ежегодно выбрасываются миллионы тонн сложных печатных плат, идея полностью биоразлагаемого источника энергии выглядит как глоток свежего воздуха.
Традиционные батареи требуют сложной логистики переработки, часто заканчивающейся на свалках, где они выделяют тяжёлые металлы. МЭГ же, по заверениям учёных, разлагается в почве за несколько недель или растворяется в воде. Причём процесс утилизации не является утилизацией в привычном смысле: компоненты можно извлечь, промыть и использовать заново, не прибегая к агрессивной химии.
Это идеальный пазл для концепции «безотходного» производства, особенно в сфере носимой электроники, где устройства постоянно соприкасаются с телом и должны быть максимально экологичными.
Носимые устройства, биосовместимые электронные системы — важный тренд в современной электронике и ИИ. Мы уже писали, о работе ученых США, выполненной в рамках перспективного направления ионотроники, которая обещает совершить прорыв в создании гибких роботов, биосовместимых гаджетов и передовых интерфейсов для взаимодействия людей с техникой.
Еще о биосовместимой медицинской электронике: разработанный специалистами Чикагского университета автономный эластичный пластырь, имитирующий свойства кожи, способен с 99,6-процентной точностью диагностировать фатальные нарушения сердечного ритма. Устройство обрабатывает сигналы организма непосредственно на месте, выполняя анализ за миллисекунды, что исключает необходимость передачи данных на внешние серверы.