با راه ‌رفتن برق توليد كنيد

[EN-EZEL 13039]

جام جم / سیب : بدن انسان، گام بلند بعدي در انرژي‌هاي جايگزين است. انرژي تلف شده‌اي كه در جنب و جوش انساني بر جاي مي‌ماند، شايد براي تامين برق مورد نياز منازل مسكوني كافي نباشد، اما حداقل مي‌توان با استفاده از آن تلفن‌هاي همراه را شارژ كرد و در دهه‌هاي آينده نيز كاربردهاي بيشتري براي آن متصور شد.

 

 

در بدن انسان مقادير قابل توجهي انرژي توليد مي‌شود. در حقيقت انرژي‌اي كه در بدن يك فرد بزرگسال ذخيره شده است، چيزي معادل باتري به وزن يك تن است! اين ميزان انرژي منابع قابل اطميناني براي فعاليت‌هاي روزمره ما به حساب مي‌آيد. اما چه اتفاقي مي‌افتد اگر اين ميزان انرژي براي راه‌اندازي طيف گسترده‌اي از سامانه‌هاي الكترونيكي اطراف ما به كار گرفته شوند؟ امروزه برخي مبتكران در سراسر جهان در حال بررسي اين ايده بوده‌اند و حتي با فراتر گذاشتن گام‌هاي خود طرح‌هاي عملياتي نيز در اين زمينه ارائه كرده‌اند. حركات جنب و جوشي بدن انرژي جنبشي توليد مي‌كنند كه مي‌توان آن را به الكتريسيته تبديل كرد. در گذشته دستگاه‌هايي نظير سامانه‌هاي راديويي، رايانه‌ها و چراغ قوه‌ها كه انرژي جنبشي را به الكتريسيته تبديل مي‌كردند، نياز به حضور چشمگير و كامل حركات بدن انسان داشتند اما اين دانش در حال توسعه است و اكنون كار به جايي رسيده است كه تقريبا نيازي به حركات شديد بدني براي توليد انرژي نيست. به عنوان مثال باشگاه ورزشي و تفريحي را در ذهن به تصوير بكشيد.

با هرگامي‌كه روي تريدميل برمي‌داريد و هر حركت چرخشي كه به كمر خود مي‌دهيد، كالري‌هاي مازادي را به حركات جنبشي تبديل مي‌كنيد كه مي‌توان از آن براي راه‌اندازي ژنراتور و توليد برق استفاده كرد. انرژي‌اي كه از جنب و جوش هر فرد توليد مي‌شود، شايد خيلي زياد نباشد، اما 100 نفر مي‌توانند با تجميع انرژي‌هاي خود نيازهاي الكتريكي تاسيسات كوچكي را برآورده كنند.

 

سالن‌هاي ورزشي كه با حركات بدن انرژي دريافت مي‌كنند

 

اين همان ايده‌اي است كه در پشت طرح جالب توجه سالن «ريز ژيمناستيك» در ارگان آمريكا قرار دارد، جايي كه ماشين آلاتي نظير دوچرخه‌هاي ثابت، انرژي توليد شده به وسيله شخص ورزشكار را دريافت مي‌كنند و به كار مي‌گيرند. ركاب زدن مي‌تواند ژنراتوري را راه‌اندازي و الكتريسيته‌اي را توليد كند كه از آن مي‌توان براي تامين بخش قابل توجهي از برق مصرفي منازل استفاده كرد. در حال حاضر انرژي بدن انسان تنها تامين‌كننده كسر بسيار كوچكي از نيازهاي اين سالن ژيمناستيك است، اما اين ميزان بسيار كم همزمان با ارائه ماشين‌آلات نوين افزايش خواهد يافت.

 

آدام باسل مدير اين سالن ورزشي فوق مدرن مي‌گويد: روزي را در ذهن متصور شده‌ايم كه تمامي ‌انرژي الكتريكي مورد نياز براي دستگاه‌هاي مختلف و روشنايي اين مجموعه بزرگ را با استفاده از تركيب انرژي بدن ورزشكاران و تركيب آن با انرژي‌هاي آب و باد تامين كنيم. البته بايد به اين نكته توجه داشت دوچرخه‌هايي كه در اين سالن به كار گرفته شده‌اند، تنها دوچرخه‌هايي از اين دست در جهان به حساب نمي‌آيند و در گوشه و كنار جهان نيز تلاش‌هاي مشابهي آغاز شده است.

 

در بسياري از كشورهاي جهان و از جمله چين و شرق آسيا دوچرخه‌سواران از دوچرخه‌هايي استفاده مي‌كنند كه چراغ‌هاي خطر آنها با استفاده از دينام‌هاي متصل به دوچرخه و تاير آنها فعال مي‌شود. اين مولدها از يك ژنراتور براي توليد جريان الكتريسيته، همزمان با گردش چرخ‌ها استفاده مي‌كنند. در برخي كشورهاي جهان نظير هلند استفاده از انرژي انساني براي راه‌اندازي سامانه‌هاي مختلف الكتريكي در باشگاه‌هاي تفريحي و سرگرمي ‌نيز ديده مي‌شود. به عنوام مثال در باشگاه تفريحي در رتردام هلند موسوم به باشگاه «وات» از كفپوش‌هاي خاصي استفاده شده است كه انرژي توليد شده از سوي حركات پاي حاضرين را در خود ذخيره مي‌كند. ساخت اين كف پوش مبتني بر اثر فيزوالكتريك ارائه شده است و در آن مواد خاصي به كار گرفته شده كه در صورت تحت فشار قرار گرفتن، جريان الكتريسيته توليد مي‌كنند. براي روشن شدن اين موضوع مي‌توان به فندك سيگار به عنوان مثالي بارز اشاره كرد. در اين ماشين ساده، چكشي كوچك وجود دارد كه در صورت برخورد با كريستال فيزوالكتريك جرقه توليد مي‌شود.

 

اين ريز فيبرها به ازاي به كار گرفته شدن در هر 10 سانتي‌متر مربع 80 ميلي وات برق توليد مي‌كنند.

 

 

 

 

همزمان با جنب و جوش اعضاي حاضر در باشگاه، كف سالن تقريبا كمي‌ كمتر از 5/1 سانتي‌متر فشرده مي‌شود. همين ميزان بسيار كم كافي است تا تماس لازم ميان كفپوش و ماده فيزوالكتريك زير آن برقرار شود. در خلال اين فرآيند بين 2 تا 20 وات الكتريسيته توليد مي‌شود. همين ميزان الكتريسيته توليد شده براي روشن ساختن چراغ‌هايLED كافي است، اما در آينده و با استفاده از فناوري‌هاي به روزتر اين انتظار وجود دارد تا خروجي الكتريسيته بيشتري ثبت شود. در لندن نيز باشگاه مشابهي وجود دارد و مالكان آن اميدوارند روزي فرا برسد كه 60 درصد از الكتريسيته مورد نياز براي روشنايي باشگاه از اين طريق در آن تامين شود.

 

اما سالن‌هاي ورزشي تنها بخشي از كاربردهاي ذخيره سازي و استفاده از انرژي‌هاي انساني به حساب مي‌آيد.

 

ايده جذابي كه حالا عملياتي شده است

 

اين ايده همچنان به جلو مي‌رود و اكنون كاربردهاي ديگري براي آن در نظر گرفته شده است. استفاده از انرژي انساني براي وسايل و كيت‌هاي شخصي از جمله اين كاربردها هستند. در اين خصوص محققان در حال طراحي و ابداع شيوه‌هايي براي ساخت سامانه‌هاي قابل حمل كوچكي نظير تلفن‌هاي همراه، پخش كننده‌هاي 3mp و رايانه‌هاي قابل حملي هستند كه در آنها هيچ‌گونه برنامه‌اي براي استفاده از منابع رايج توليد انرژي ارائه نشده است.

 

راه برويد تا برق توليد شود

 

مكس دانلون از آزمايشگاه لوكوموشن دانشگاه سيمون فريزر در بريتيش كلمبيا با همكاري محققان كانادايي و آمريكايي هم اكنون در حال طراحي و ساخت ژنراتور الكترومغناطيسي است كه براحتي مي‌توان آن را در كنار زانو نصب كرد. اين مدل پيش ساخته كه اتفاقا بتازگي نيز از آن رونمايي شده است از يك دقيقه پياده‌روي الكتريسيته لازم براي نيم ساعت گفتگو با تلفن همراه را تامين مي‌كند. اين ژنراتور زانويي از سامانه‌هاي‌هاي الكترونيكي بهره مي‌برد كه با استفاده از آن تنها از انرژي مازاد بدن استفاده شده است. رايانه‌اي نيز در زمان درگير شدن و عدم درگيري ژنراتور، زاويه زانو در خلال گام برداشتن را اندازه‌گيري مي‌كند. بررسي‌ها نشان داده‌اند در يك پياده‌روي ساده از انرژي ماهيچه‌اي ضمن استفاده براي تسريع گام برداشتن، براي توقف حركت رو به پايين پا نيز استفاده مي‌شود. اين ژنراتور تنها بلافاصله پس از مرحله ترمزگيري در ماهيچه‌هاي پا فعال مي‌شود. از اين رو فرد هرگز احساس نمي‌كند انرژي طبيعي بدنش براي گام برداشتن گرفته شده يا آهسته‌تر حركت مي‌كند.

 

اين كوله پشتي 20 وات برق توليد مي‌كند. لري رم، ابداع كننده آن است و اين فناوري نوين را در حالي ارائه كرده كه انرژي توليد شده از گام‌هاي انساني را ذخيره و به الكتريسيته تبديل مي‌كند.

 

 

 

 

الكتريسيته توليد شده در ادامه از طريق يك قطعه سيم به جريان افتاده تا از آن براي شارژ باتري استفاده شود. اين ژنراتور 3/1 كيلوگرم وزن دارد و به آن «دريافت‌كننده بيونيكي انرژي» گفته مي‌شود. البته اين ميزان وزن براي حمل كننده آن تا حدي ناراحت كننده است. با اين حال به لطف استفاده از چرخ دنده‌هاي سبك‌تر و اسكلت سبك‌وزن ساخته شده از فيبر كربني، جديدترين مدل اين فناوري نوين سبك‌تر از گذشته شده است و پيش‌بيني مي‌شود با وزني بالغ بر نيم‌كيلوگرم نسخه جديد آن در سال آينده روانه بازار شود. در مدل پيش‌ساخته‌اي كه ارائه شده است از رايانه كوچكي در سامانه استفاده شده؛ اما در نسخه نهايي كه در حال آماده شدن است از ريزرايانه‌اي به جاي اين رايانه جاگير استفاده مي‌شود تا در نهايت سامانه بسيار كوچكي ارائه شود.

 

چنين دستگاهي قابليت‌هاي بسيار زيادي دارد. ارتش كانادا بخشي از هزينه‌هاي تحقيقاتي پروژه دانلون را تقبل كرده است، زيرا هم اكنون نظاميان اين كشور تا 5/13 كيلوگرم باتري‌هاي مختلف را براي تامين انرژي سامانه‌ها و تجهيزات ارتباطاتي و مسيريابي با خود حمل مي‌كنند و اين در حالي است كه مي‌توان از منابع جايگزين انرژي نيز براي اين منظور استفاده كرد.

 

از سوي ديگر كارمنداني كه با تامين امنيت عمومي‌مردم سر و كار دارند نظير آتش‌نشان‌ها و نيروهاي پليس ‌ مي‌توانند از اين فناوري نوين براي راه‌اندازي سامانه‌هاي دستي در جريان ارائه خدمات اورژانسي استفاده كنند. در آينده اندام‌هاي مصنوعي كه براي حركت به باتري نياز دارند نيز مي‌توانند به جاي استفاده از منابع فعلي تامين انرژي، مبتني بر تكنيك ارائه شده از سوي دانلون طراحي و ساخته شوند. اما اين هم پايان داستان نيست. نسل بعدي بسياري از دستگاه‌ها نظير تلفن‌هاي همراه، سامانه‌هاي موقعيت‌ياب جهاني، آيپادها و دوربين‌هاي ديجيتالي اين قابليت را خواهند داشت تا با استفاده از اين فناوري جديد كار كنند. استفاده از اين تكنيك نوين، حتي مي‌تواند براي علاقه‌مندان به پياده روي و صخره نوردان كه زمان قابل توجهي را به دور از منابع تامين كننده انرژي صرف مي‌كنند كارايي قابل توجهي داشته باشد.

 

ژنراتورهاي ديگري نيز كه ساختار و قابليت‌هاي مشابهي دارند، در حال ساخته شدن هستند و براي اين كار از اصول الكترومغناطيسي مشابهي نظير آنچه در «دريافت كننده بيونيكي انرژي» به كار رفته، استفاده شده است. به عنوان مثال لري رم از دانشگاه پنسيلوانيا، كوله‌پشتي نوري‌اي ساخته است كه از حركات طبيعي ران‌ها مقادير قابل توجهي انرژي دريافت مي‌كند. سيم‌هاي نصب شده در اين سامانه جريان الكتريسيته را به باتري‌هاي مخصوصي هدايت مي‌كنند. با اين حال خروجي الكتريسيته نقطه عطف اين فناوري است: 20 وات، كه براي راه اندازي هرگونه دستگاه الكتريكي قابل حملي كافي است. اما نبايد فراموش كرد كه حمل اين كوله 36 كيلوگرمي‌ كار بسيار سختي است. با اين حال مي‌توان به سبك‌تر ساختن آن اميدوار بود و از اين روست كه ارتش آمريكا براي استفاده از اين كوله‌ها ابراز تمايل كرده است.

 

دريافت كننده بيونيكي انرژي مي‌تواند از يك دقيقه راه رفتن انرژي الكتريكي لازم براي راه‌اندازي تلفن همراه به مدت 30 دقيقه را توليد كند. اين ژنراتور روي زانو قرار گرفته و هيچ خللي در حركت بدن ايجاد نمي‌كند.

 

 

 

 

از چنين كوله پشتي سنگيني كه بگذريم، نوبت به جهش جديدي در اين فرآيند مي‌رسد. دكتر ژانگ لين وانگ و دو تن از همكارانش از انستيتو فناوري جورجيا، ميني ژنراتورهايي را طراحي و ساخته اند كه مي‌توان آنها را در تار و پود تي‌شرت يا ساير پوشش‌ها قرار دارد. اين ريز‌سامانه‌ها مي‌توانند از كوچك‌ترين حركات بدن انرژي دريافت و آن را به دستگاه‌هاي قابل حمل منتقل كنند.

 

ژنراتورهاي ارائه شده از سوي دكتر وانگ از فيزوالكتريسيته در ابعاد كوچك استفاده مي‌كنند. وي در مدل پيش ساخته خود كريستال‌هاي اكسيد روي را روي فيبرهاي مخصوصي توليد مي‌كند. اين كريستال‌ها روي نانوسيم‌هايي شبيه هزاران موي ريز و زبر قرار مي‌گيرند و زماني كه در برخورد با يكديگر قرار مي‌گيرند خميده شده و الكتريسيته توليد مي‌كنند. در اين مدل پيش ساخته، فيبرهايي به طول 2 سانتي‌متر بالغ بر 16 پيكو وات يا معادل 16 تريليونوم وات الكتريسيته توليد مي‌كنند. اين ميزان بسيار ناچيز است، اما الكتريسيته توليد شده با افزايش شمار فيبرها افزايش مي‌يابد. محققان پيش‌بيني مي‌كنند پوشش‌هايي كه با استفاده از اين فيبرها توليد مي‌شوند مي‌توانند به ازاي 11 فوت مربع از بافت ياد شده تا 80 ميلي وات الكتريسيته توليد كنند كه تقريبا براي راه‌اندازي تلفن همراه و يا ساير دستگاه‌هاي الكترونيكي قابل حمل كافي است. در حالي كه پيش بيني مي‌شود تا حدود 5 سال آينده پوشش‌هاي توليدكننده الكتريسيته روانه بازار شوند، دكتر وانگ و همكارانش بايد بر چالش‌هاي متعددي غلبه كنند. بزرگ‌ترين مشكل اين است كه نانوفيبرهاي به كار رفته در اين پروژه، نمي‌توانند رطوبت را جذب خود كنند. استفاده از آستري‌هاي ويژه، راه حلي تقريبا اميدواركننده است، و از اين رو دكتر وانگ با بهره بردن از آن، احتمال استفاده از فيبرهاي نانويي ضد آب را نيز بررسي مي‌كند.

 

هدف بعدي اين محقق، توليد فيبرهايي با بازده كاري بالاتر است. در اين خصوص وي در حال بررسي طيف گسترده‌اي از پليمرهاست و در اين ميان روش‌هاي بهتري از تركيب اين مواد و جمع‌آوري بارهاي الكتريكي را جستجو مي‌كند. اما حتي اگر اين نانوفيبرها نيز بازده كاري بالاتري نداشته باشند، با اين حال ممكن است با استفاده از آنها انرژي توليد شده در بدن را براي راه اندازي دستگاه‌هاي قابل حمل به كار برد.

 

دستگاه‌هاي الكترونيكي كوچك‌تر و كوچك‌تر مي‌شوند و از اين رو نياز به انرژي در آنها به ميزان قابل توجهي كاهش مي‌يابد. اما اين معادله به باتري‌هايي با قابليت‌هاي بالا نياز دارد؛ باتري‌هايي كه انرژي متراكم شده را در بازه زماني طولاني ذخيره كنند. به نظر مي‌رسد با توجه به اين پيشرفت‌ها آن روز دور نيست كه راه رفتن و حركات بدن ثمر چنداني براي زندگي نداشته باشد. فلسفه‌اي كه در اين ايده نوين نهفته است استفاده نامحسوس از انرژي است؛ يعني به جاي اين‌كه هوشيارانه براي توليد انرژي زمان صرف شود، انرژي نظير الكتريسيته تنها به واسطه حركات عادي و روزمره بدن توليد و به كار گرفته شود.