Các nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego (Mỹ) đã nghiên cứu thành công hệ thống lưới điện siêu nhỏ có khả năng thu và lưu trữ năng lượng từ cơ thể con người để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử.
Hệ thống gồm ba phần chính: tế bào nhiên liệu sinh học, máy phát điện ma sát và siêu tụ điện lưu trữ năng lượng. Tất cả các bộ phận đều có thể in lên áo và hoạt động độc lập, linh hoạt, được đặt ở những vị trí thích hợp để tối ưu hóa lượng năng lượng thu được.
Tế bào nhiên liệu sinh học thu năng lượng từ mồ hôi nằm bên trong áo vị trí của ngực. Nó được trang bị enzym để kích hoạt sự hoán đổi electron giữa các phân tử lactate và oxy trong mồ hôi của con người để tạo ra điện. Nó có công suất đủ lớn để cung cấp điện cho các thiết bị điện tử nhỏ.
Máy phát điện ma sát có khả năng chuyển đổi năng lượng từ chuyển động thành điện năng. Bộ phận được làm từ vật liệu tích điện âm được đặt ở vị trí cẳng tay, còn bộ phận được làm từ vật liệu tích điện dương được đặt ở hai bên hông, gần thắt lưng. Khi đi bộ hoặc chạy thì cánh tay sẽ vung lên hoặc hạ xuống, do đó các vật liệu mang điện trái dấu sẽ cọ xát với nhau và tạo ra điện.
Các tế bào nhiên liệu sinh học cung cấp điện áp thấp, trong khi các máy phát điện ma sát cung cấp xung điện áp cao. Các siêu tụ điện có nhiệm vụ kết hợp và điều chỉnh các loại điện áp khác nhau này thành một điện áp ổn định, nó được đặt được đặt ở bên ngoài chiếc áo, vị trí ngực. Siêu tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng của cả hai thiết bị trên và sau đó phóng điện để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ.
“Hãy tưởng tượng các tế bào nhiên liệu sinh học giống như một vòi nước chảy chậm và các máy phát điện ma sát giống như một vòi phun ra các tia nước. Các siêu tụ điện là bể chứa nước tạm thời của cả 2 loại vòi trên và bạn có thể rút ra từ bể đó bất cứ lúc nào bạn cần.” Tiến sĩ Lu Yin, thành viên của nhóm nghiên giải thích.
Tất cả các bộ phận được kết nối với nhau bằng những sợi bạc mềm dẻo, sử dụng lớp sơn chống thấm để cách nhiệt, có thể in lên áo. Tính năng của từng bộ phận sẽ không bị ảnh hưởng bởi việc uốn, gấp và vò nhiều lần hoặc giặt trong nước, miễn là không sử dụng chất tẩy rửa.
Việc thu năng lượng từ chuyển động và mồ hôi cho phép hệ thống có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị một cách nhanh chóng và liên tục. Máy phát điện ma sát cung cấp năng lượng ngay khi người dùng bắt đầu di chuyển, chưa đổ mồ hôi. Tiếp sau đó, khi người dùng bắt đầu đổ mồ hôi, các tế bào nhiên liệu sinh học sẽ bắt đầu cung cấp năng lượng và tiếp tục hoạt động như vậy sau khi người dùng ngừng di chuyển. Hai chức năng này sẽ bù đắp những hạn chế của nhau, giúp hệ thống có khả năng cung cấp năng lượng liên tục, hoạt động nhanh hơn hai lần so với việc sử dụng các tế bào nhiên liệu sinh học đơn lẻ, kéo dài hơn ba lần so với các máy phát điện ma sát hoạt động riêng lẻ.
Tế bào nhiên liệu sinh học thu năng lượng từ mồ hôi
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm hệ thống với thời gian hoạt động kéo dài 30 phút (10 phút trên xe đạp tập thể dục trong nhà hoặc chạy và sau đó là 20 phút nghỉ ngơi). Kết quả cho thấy, hệ thống có thể cung cấp năng lượng cho đồng hồ đeo tay LCD hoặc thiết bị ECD – thiết bị có khả năng thay đổi màu sắc theo điện áp.
Sự tích hợp có hệ thống và hiệu quả của tất cả các thiết bị đã tạo nên thành công của hệ thống. Nhóm nghiên cứu đã chọn các bộ phận có hệ số hình thức tương thích (có thể in, kéo dãn, linh hoạt ), hiệu suất phù hợp và có chức năng bổ sung.
Hệ thống sẽ rất hữu ích khi người dùng đang tập thể dục hoặc chạy. Nhóm nghiên cứu cũng đang nghiên cứu thêm để hệ thống có thể thu năng lượng trong khi người dùng đang ngồi bên trong văn phòng, hoặc di chuyển chậm bên ngoài.
Báo cáo của nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Nature Communications.
Diệu Huyền (CESTI) – Theo https://techxplore.com/news/2021-03-wearable-microgrid-human-body-sustainably.html