Hleðslan í síma þínum minnkar stöðugt þegar þú ert að kíkja á veðurútlitið, senda SMS og borga fyrir innkaup. Smá hugarreikningur sýnir að farsími þinn tæmist löngu áður en þú kemst heim og getur tengt hann við hleðslutækið.
En rafhlaðan tæmist samt sem áður ekki alveg. Textíllinn í klæðnaði þínum er nefnilega með trefjar sem geta dregið straum úr sérhverri hreyfingu þinni og jafnvel litlum svitadropum sem spretta fram á húðinni þegar þú stendur í röðinni í kjörbúðinni og bíður eftir því að röðin komi að þér.
Líkamar okkar framleiða heilmikið af orku – við erum bara ekki farin að uppskera hana ennþá. En vísindamenn eru farnir að vinna með ný textílefni og örsmá tól sem geta nýtt orkuna.
Þeir stefna að því að losa okkur við hleðslutækin fyrir smærri handfrjáls raftæki einhvern góðan veðurdaginn enda munum við þá geta framleitt rafstraum fyrir raftæki okkar þegar við erum á ferðinni.
Og orkuna frá hreyfingu okkar væri jafnvel hægt að nýta til að hita upp – eða kæla niður – heilu húsin og byggingarnar.
Líkaminn er fullur af orku
Hvarvetna í kringum okkur er tækni sem krefst rafmagns – allt frá orkufrekum rafbílum yfir í minni raftæki eins og farsíma en jafnvel aðra hluti sem við berum með okkur, eins og snjallúr og púlsmæla. Öll þessi tæki eiga það sameiginlegt að þau þurfa rafmagn og það þarf að hlaða þau með reglulegu millibili.
En það getur reynst óhentugt að þurfa ævinlega að vera í nágrenni við innstungu. Og auk þess reynir þetta líka á rafdreifikerfið og tekur drjúgan hluta af sjálfbærri orku sem allur heimurinn reynir núna að nýta með sem bestum hætti.
Það er hér sem líkaminn kemur til sögunnar. Við erum nefnilega stöðugt að skapa orku þegar við hreyfum okkur, svitnum og geislum frá okkur varma. Þessari orku má umbreyta í rafstraum eða uppskera sem er ástæða þess að fræðimenn á þessu sviði hafa nefnt tæknina á ensku human energy harvesting.
18,2 milljarðar af handfrjálsum raftækjum verða í notkun árið 2025.
Áhuginn á þessari hugmynd hefur vaxið mikið eftir því sem sífellt léttari efni og stöðugt minni raftæki eru fundin upp.
Vísindamenn eru sérlega áhugasamir um þá orku sem að líkami okkar skapar þegar hann hreyfir sig sem er einnig nefnd mekanísk orka.
Sérhver hreyfing líkamans hefur að geyma mekaníska orku en orka þessi endar bara sem varmi sem hverfur út í umhverfið. Árið 2023 tókst þó teymi kóreanskra vísindamanna að nýta þessa orku með sérstakri gerð af textíli sem umbreytir hreyfingu líkamans í rafstraum.
Og vísindamennirnir létu ekki þar staðar numið. Þegar líkaminn er ekki á nógu mikilli hreyfingu til að skapa rafstraum getur nefnilega sviti okkar tekið við. Þess vegna þróuðu þeir efni sem samanstendur af tveimur gerðum trefja, eina gerð sem uppsker hreyfiorkuna og aðra sem umbreytir svita í rafstraum.
Önnur þeirra samanstendur af efni sem breytir núningi í rafstraum.
Þessi virkni á sér stað þegar sérhönnuð efni skiptast á rafeindum þegar þau komast í snertingu hvort við annað. Annað efnið gefur frá sér rafeindir og öðlast jákvæða hleðslu fyrir vikið, á meðan hitt tekur á móti rafeindum og fær neikvæða hleðslu.
Fyrirbæri þetta má t.d. sjá þegar maður nuddar blöðru við hár sitt. Þá mun hárið gefa af sér rafeindir til blöðrunnar sem verður neikvætt hlaðin og getur togað í hárið sem nú er orðið jákvætt hlaðið.
Þetta fyrirbæri má nýta til að fá rafeindir til að streyma í rafrás og þannig mynda rafmagn.
Vísindamenn við Georgia Institute of Technology í BNA hafa þróað skífur sem mynda rafmagn þegar þeim er þrýst saman. Þær geta t.d. framleitt rafstraum í margvíslegum skófatnaði.
Kóresku vísindamennirnir hönnuðu sérstaka gerð af klæðum sem innihalda koparþræði og eru hulin sílíkonefni. Þegar manneskja, klædd slíkum fötum, fer út að hlaupa, nuddast húðin við efnið sem stelur rafeindum frá húðinni.
Þar með verður til spennumunur milli klæðanna og húðarinnar sem fær rafeindir til að streyma um trefjarnar en þær eru tengdar við rafrás. Með þessum hætti verður sífellt skapað rafmagn með hreyfingunni.
Hin trefjagerðin sem vísindamenn hafa fundið upp getur myndað rafstraum úr svita. Bómullartrefjum er dýft ofan í upplausn með kolefninu super P. Efni þetta hefur þá eiginleika að það getur klofið vatn niður í frumþætti sína.
Þegar trefjarnar komast í snertingu við svita greinist vatnið sundur í súrefnisjónir, vetnisjónir og rafeindir og rafeindirnar streyma frá votu hlið trefjanna í átt að þeirri þurru.
Helsti kosturinn við svita-trefjarnar er að þær geta skapað rafstraum, t.d. eftir að hlaupinu er lokið eða jafnvel þó að maður sitji kyrr en er þó í nægjanlega heitu umhverfi til að svitna. Samþætting á þessum tveimur gerðum trefja sér þannig til þess að nánast alltaf er hægt að uppskera einhvern rafstraum.
Hreyfing og sviti framleiða rafmagn
Klæði þín geta unnið rafstraum frá líkama þínum með kolefnisdufti og koparþráðum sem eru ofin inn í fatnað þinn. Koparinn leiðir straum þegar þú hreyfir þig og duftið streymir rafmagni þegar þú svitnar.
1. Trefjar stela rafeindum
Polyestertrefjar snúnar utan um koparþræði og hjúpaðar sílíkon-gúmmíi eru saumaðar í klæðin. Þegar gúmmíið nuddast við húðina dregur það til sín rafeindir. Spennumunurinn fær rafeindirnar í trefjunum til að streyma í átt að húðinni.
2. Straumurinn fer til baka
Þegar trefjarnar færast frá húðinni, fara rafeindirnar í gagnstæða átt. Hreyfingar rafeindanna fram og til baka, þegar trefjarnar nálgast og fjarlægjast húðina til skiptis, má nýta, t.d. til að hlaða rafhlöður.
3. Sviti skapar straum
Önnur gerð trefja samanstendur af bómullarþráðum með tilbúna kolefninu super P. Þegar líkaminn svitnar greinir super P vatnið í sundur í vetnisjónir, súrefnisjónir og rafeindir sem hreyfast frá votu hliðinni til þurru hliðar trefjanna.
Hreyfing og sviti framleiða rafmagn
Klæði þín geta unnið rafstraum frá líkama þínum með kolefnisdufti og koparþráðum sem eru ofin inn í fatnað þinn. Koparinn leiðir straum þegar þú hreyfir þig og duftið streymir rafmagni þegar þú svitnar.
1. Trefjar stela rafeindum
Polyestertrefjar snúnar utan um koparþræði og hjúpaðar sílíkon-gúmmíi eru saumaðar í klæðin. Þegar gúmmíið nuddast við húðina dregur það til sín rafeindir. Spennumunurinn fær rafeindirnar í trefjunum til að streyma í átt að húðinni.
2. Straumurinn fer til baka
Þegar trefjarnar færast frá húðinni, fara rafeindirnar í gagnstæða átt. Hreyfingar rafeindanna fram og til baka, þegar trefjarnar nálgast og fjarlægjast húðina til skiptis, má nýta, t.d. til að hlaða rafhlöður.
3. Sviti skapar straum
Önnur gerð trefja samanstendur af bómullarþráðum með tilbúna kolefninu super P. Þegar líkaminn svitnar greinir super P vatnið í sundur í vetnisjónir, súrefnisjónir og rafeindir sem hreyfast frá votu hliðinni til þurru hliðar trefjanna.
Það er þó ekki einungis hreyfingar líkamans, varmi og sviti sem geta gefið af sér straum þegar maður er á ferðinni. Vísindamenn hafa einnig nánari gætur á umhverfinu, ljósinu og andrúmsloftinu sem við hreyfum okkur í á sérhverjum degi.
Straum má vinna úr loftinu
Loft inniheldur alltaf eitthvað magn af vatni og þessi raki getur skapað straum. Vísindamenn við University of Massachusetts Amherst í BNA hafa uppgötvað að efni sem eru t.d. saumuð inn í fatnað með götum sem eru minni en 100 nanómetrar, þ.e.a.s. einn þúsundasti af þykkt mannshárs, geta umbreytt loftraka í rafmagn.
Þetta virkar dálítið eins og þrumuský þar sem sumar vatnssameindir stíga hraðar en aðrar vegna mismunar í hitastigi og árekstur milli vatnssameindanna felur í sér að þær verða rafhlaðnar.
Vatnssameindir í loftinu færast að meðaltali um 100 nanómetra áður en þær rekast á aðra vatnssameind. Vísindamennirnir stefna að því að framleiða þunnt lag af efni sem er alsett agnarsmáum götum, litlu minni en 100 nanómetrar.
Loftið inniheldur gríðarlega mikið rafmagn.“
Jun Yao fræðimaður við University of Massachusetts Amherst
Þannig geta sumar vatnssameindirnar sloppið í gegnum götin á efninu og lagst á innri hlið þess á meðan flestar vatnssameindirnar rekast saman, verða rafhlaðnar og safnast saman á ytri hliðinni.
Þetta skapar ójafnvægi í rafhleðslu efnisins sem fær rafstraum til að streyma frá annarri hliðinni til hinnar, rétt eins og á sér stað í rafrás. Og með þessum hætti hefur vísindamönnunum tekist að búa til pínulítið raforkuver, einungis með götuðu efni og vatnssameindum í andrúmsloftinu.
Líkamshiti kælir niður dansgólfið
Orkuna frá líkama okkar er ekki einungis hægt að nota í lítil raftæki sem við berum á okkur. Hana er einnig hægt að nota á langtum stærri skala og stjórna hitastigi í heilum byggingum með þeim hætti.
Það er nefnilega hægt að safna saman líkamshita og nota dælur til að stýra hitastigi í byggingum, t.d. nærri þéttbýlum stöðum eins og t.d. í lestarstöðvum.
Þrjár aðferðir til að soga orku úr umhverfinu
Sérfræðingar horfa ekki aðeins til líkamans, heldur einnig ttil náttúruaflanna, þegar þeir pæla í nýjum aðferðum til að skapa rafmagn á ferðinni – eða jafnvel til að hita hýbýli okkar.
1. Nanóklæði nýta loftrakann
Þegar vatn lendir á efninu polyoxometalati sem finnst í náttúrunni í kristölluðum vikri, þrýstast sumar sameindirnar í gegnum agnarsmá göt í efninu, meðan flestar setjast á yfirborðið. Það verður til þess að rafmagn hleypur á milli.
2. Klæði næla í orku sólar
Vísindamenn við Nottingham Trent University hafa smíðað 1,5 x 5 mm sólarsellur og saumað í vefnað sem er 0,5 m x 0,25m. Í sólarljósi skila sellurnar um 400mW – nóg til að hlaða t.d. snjallúr.
3. Líkamshiti lækkar hitareikninginn
Varmann sem geislar út úr líkamanum má nýta til upphitunar. Kungsbrohuset í Stokkhólmi sparar sem dæmi 5-10 prósent á hitareikningnum með því að safna saman líkamsvarma lestarfarþega í nærliggjandi aðallestarstöð, Centralstation.
Og líkamshitinn er ekki einungis fær um að hita upp heldur getur hann einnig kælt niður.
Á næturklúbbnum SWG3 í Glasgow hafa eigendur frá árinu 2022 nýtt líkamshitann frá dansandi gestum á gólfinu, bæði til að hita upp bygginguna og kæla niður þegar hentar. Loftið sem hitnar upp þegar gestirnir dansa, má nýta undir eins til að hita bygginguna yfir vetrartímann.
En einnig má safna varmanum saman með varmadælum og senda áfram yfir í kerfi sem umbreytir orkunni í varmanum í rafmagn. Rafmagn þetta knýr síðan kæliblásara og með þessum hætti má nota líkamshitann til þess að kæla niður húsakynni klúbbsins.
Varmadælukerfi í næturklúbbnum SWG3 í Glasgow í Skotlandi nýtir orkuna í líkamshita gestanna til að bæði hita upp og kæla niður húsakynni klúbbsins.
Fram til þessa hefur fræðimönnum einungis tekist að uppskera rafstraum sem nemur um einu míkróvatti eða millivatti frá hreyfingum líkamans, varma og svita. Það sama á við lítil handfrjáls „orkuver“ sem mynda straum úr lofti, ljósi og hitanum í kringum okkur.
Það nægir ekki til að hita upp ofninn í eldhúsinu eða hlaða rafbílinn en þrátt fyrir að tæknin sé núna ekkert sérstaklega tilkomumikil gæti hún skipt verulegu máli ef við í framtíðinni gætum gengið í klæðum sem framleiða sjálf rafmagn.
Mögulega getum við notað slíkt „manna-rafmagn“ einn dag til þess að losna alveg við hleðslutæki símans og þar með einnig innstunguna.
Vísindamenn á þessu sviði ræða jafnvel um að umframstraum frá okkar eigin orkuverum mætti senda út á rafdreifikerfið, rétt eins og umframstraum á sólarsellum eða vindmyllum, þó í miklu minni mæli sé. En eins og máltækið segir: Mjór er mikils vísir.
