با راه ‌رفتن برق تولید کنید

در بدن انسان مقادیر قابل توجهی انرژی تولید می‌شود. در حقیقت انرژی‌ای که در بدن یک فرد بزرگسال ذخیره شده است، چیزی معادل باتری به وزن یک تن است! این میزان انرژی منابع قابل اطمینانی برای فعالیت‌های روزمره ما به حساب می‌آید. اما چه اتفاقی می‌افتد اگر این میزان انرژی برای راه‌اندازی طیف گسترده‌ای از سامانه‌های الکترونیکی اطراف ما به کار گرفته شوند؟ امروزه برخی مبتکران در سراسر جهان در حال بررسی این ایده بوده‌اند و حتی با فراتر گذاشتن گام‌های خود طرح‌های عملیاتی نیز در این زمینه ارائه کرده‌اند. حرکات جنب و جوشی بدن انرژی جنبشی تولید می‌کنند که می‌توان آن را به الکتریسیته تبدیل کرد. در گذشته دستگاه‌هایی نظیر سامانه‌های رادیویی، رایانه‌ها و چراغ قوه‌ها که انرژی جنبشی را به الکتریسیته تبدیل می‌کردند، نیاز به حضور چشمگیر و کامل حرکات بدن انسان داشتند اما این دانش در حال توسعه است و اکنون کار به جایی رسیده است که تقریبا نیازی به حرکات شدید بدنی برای تولید انرژی نیست. به عنوان مثال باشگاه ورزشی و تفریحی را در ذهن به تصویر بکشید.
با هرگامی‌که روی تریدمیل برمی‌دارید و هر حرکت چرخشی که به کمر خود می‌دهید، کالری‌های مازادی را به حرکات جنبشی تبدیل می‌کنید که می‌توان از آن برای راه‌اندازی ژنراتور و تولید برق استفاده کرد. انرژی‌ای که از جنب و جوش هر فرد تولید می‌شود، شاید خیلی زیاد نباشد، اما 100 نفر می‌توانند با تجمیع انرژی‌های خود نیازهای الکتریکی تاسیسات کوچکی را برآورده کنند.

سالن‌های ورزشی که با حرکات بدن انرژی دریافت می‌کنند

این همان ایده‌ای است که در پشت طرح جالب توجه سالن «ریز ژیمناستیک» در ارگان آمریکا قرار دارد، جایی که ماشین آلاتی نظیر دوچرخه‌های ثابت، انرژی تولید شده به وسیله شخص ورزشکار را دریافت می‌کنند و به کار می‌گیرند. رکاب زدن می‌تواند ژنراتوری را راه‌اندازی و الکتریسیته‌ای را تولید کند که از آن می‌توان برای تامین بخش قابل توجهی از برق مصرفی منازل استفاده کرد. در حال حاضر انرژی بدن انسان تنها تامین‌کننده کسر بسیار کوچکی از نیازهای این سالن ژیمناستیک است، اما این میزان بسیار کم همزمان با ارائه ماشین‌آلات نوین افزایش خواهد یافت.

آدام باسل مدیر این سالن ورزشی فوق مدرن می‌گوید: روزی را در ذهن متصور شده‌ایم که تمامی ‌انرژی الکتریکی مورد نیاز برای دستگاه‌های مختلف و روشنایی این مجموعه بزرگ را با استفاده از ترکیب انرژی بدن ورزشکاران و ترکیب آن با انرژی‌های آب و باد تامین کنیم. البته باید به این نکته توجه داشت دوچرخه‌هایی که در این سالن به کار گرفته شده‌اند، تنها دوچرخه‌هایی از این دست در جهان به حساب نمی‌آیند و در گوشه و کنار جهان نیز تلاش‌های مشابهی آغاز شده است.

در بسیاری از کشورهای جهان و از جمله چین و شرق آسیا دوچرخه‌سواران از دوچرخه‌هایی استفاده می‌کنند که چراغ‌های خطر آنها با استفاده از دینام‌های متصل به دوچرخه و تایر آنها فعال می‌شود. این مولدها از یک ژنراتور برای تولید جریان الکتریسیته، همزمان با گردش چرخ‌ها استفاده می‌کنند. در برخی کشورهای جهان نظیر هلند استفاده از انرژی انسانی برای راه‌اندازی سامانه‌های مختلف الکتریکی در باشگاه‌های تفریحی و سرگرمی ‌نیز دیده می‌شود. به عنوام مثال در باشگاه تفریحی در رتردام هلند موسوم به باشگاه «وات» از کفپوش‌های خاصی استفاده شده است که انرژی تولید شده از سوی حرکات پای حاضرین را در خود ذخیره می‌کند. ساخت این کف پوش مبتنی بر اثر فیزوالکتریک ارائه شده است و در آن مواد خاصی به کار گرفته شده که در صورت تحت فشار قرار گرفتن، جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. برای روشن شدن این موضوع می‌توان به فندک سیگار به عنوان مثالی بارز اشاره کرد. در این ماشین ساده، چکشی کوچک وجود دارد که در صورت برخورد با کریستال فیزوالکتریک جرقه تولید می‌شود.

همزمان با جنب و جوش اعضای حاضر در باشگاه، کف سالن تقریبا کمی‌ کمتر از 5/1 سانتی‌متر فشرده می‌شود. همین میزان بسیار کم کافی است تا تماس لازم میان کفپوش و ماده فیزوالکتریک زیر آن برقرار شود. در خلال این فرآیند بین 2 تا 20 وات الکتریسیته تولید می‌شود. همین میزان الکتریسیته تولید شده برای روشن ساختن چراغ‌هایLED کافی است، اما در آینده و با استفاده از فناوری‌های به روزتر این انتظار وجود دارد تا خروجی الکتریسیته بیشتری ثبت شود. در لندن نیز باشگاه مشابهی وجود دارد و مالکان آن امیدوارند روزی فرا برسد که 60 درصد از الکتریسیته مورد نیاز برای روشنایی باشگاه از این طریق در آن تامین شود.

اما سالن‌های ورزشی تنها بخشی از کاربردهای ذخیره سازی و استفاده از انرژی‌های انسانی به حساب می‌آید.

ایده جذابی که حالا عملیاتی شده است

این ایده همچنان به جلو می‌رود و اکنون کاربردهای دیگری برای آن در نظر گرفته شده است. استفاده از انرژی انسانی برای وسایل و کیت‌های شخصی از جمله این کاربردها هستند. در این خصوص محققان در حال طراحی و ابداع شیوه‌هایی برای ساخت سامانه‌های قابل حمل کوچکی نظیر تلفن‌های همراه، پخش کننده‌های 3mp و رایانه‌های قابل حملی هستند که در آنها هیچ‌گونه برنامه‌ای برای استفاده از منابع رایج تولید انرژی ارائه نشده است.

راه بروید تا برق تولید شود

مکس دانلون از آزمایشگاه لوکوموشن دانشگاه سیمون فریزر در بریتیش کلمبیا با همکاری محققان کانادایی و آمریکایی هم اکنون در حال طراحی و ساخت ژنراتور الکترومغناطیسی است که براحتی می‌توان آن را در کنار زانو نصب کرد. این مدل پیش ساخته که اتفاقا بتازگی نیز از آن رونمایی شده است از یک دقیقه پیاده‌روی الکتریسیته لازم برای نیم ساعت گفتگو با تلفن همراه را تامین می‌کند. این ژنراتور زانویی از سامانه‌های‌های الکترونیکی بهره می‌برد که با استفاده از آن تنها از انرژی مازاد بدن استفاده شده است. رایانه‌ای نیز در زمان درگیر شدن و عدم درگیری ژنراتور، زاویه زانو در خلال گام برداشتن را اندازه‌گیری می‌کند. بررسی‌ها نشان داده‌اند در یک پیاده‌روی ساده از انرژی ماهیچه‌ای ضمن استفاده برای تسریع گام برداشتن، برای توقف حرکت رو به پایین پا نیز استفاده می‌شود. این ژنراتور تنها بلافاصله پس از مرحله ترمزگیری در ماهیچه‌های پا فعال می‌شود. از این رو فرد هرگز احساس نمی‌کند انرژی طبیعی بدنش برای گام برداشتن گرفته شده یا آهسته‌تر حرکت می‌کند.

الکتریسیته تولید شده در ادامه از طریق یک قطعه سیم به جریان افتاده تا از آن برای شارژ باتری استفاده شود. این ژنراتور 3/1 کیلوگرم وزن دارد و به آن «دریافت‌کننده بیونیکی انرژی» گفته می‌شود. البته این میزان وزن برای حمل کننده آن تا حدی ناراحت کننده است. با این حال به لطف استفاده از چرخ دنده‌های سبک‌تر و اسکلت سبک‌وزن ساخته شده از فیبر کربنی، جدیدترین مدل این فناوری نوین سبک‌تر از گذشته شده است و پیش‌بینی می‌شود با وزنی بالغ بر نیم‌کیلوگرم نسخه جدید آن در سال آینده روانه بازار شود. در مدل پیش‌ساخته‌ای که ارائه شده است از رایانه کوچکی در سامانه استفاده شده؛ اما در نسخه نهایی که در حال آماده شدن است از ریزرایانه‌ای به جای این رایانه جاگیر استفاده می‌شود تا در نهایت سامانه بسیار کوچکی ارائه شود.

چنین دستگاهی قابلیت‌های بسیار زیادی دارد. ارتش کانادا بخشی از هزینه‌های تحقیقاتی پروژه دانلون را تقبل کرده است، زیرا هم اکنون نظامیان این کشور تا 5/13 کیلوگرم باتری‌های مختلف را برای تامین انرژی سامانه‌ها و تجهیزات ارتباطاتی و مسیریابی با خود حمل می‌کنند و این در حالی است که می‌توان از منابع جایگزین انرژی نیز برای این منظور استفاده کرد.

از سوی دیگر کارمندانی که با تامین امنیت عمومی‌مردم سر و کار دارند نظیر آتش‌نشان‌ها و نیروهای پلیس ‌ می‌توانند از این فناوری نوین برای راه‌اندازی سامانه‌های دستی در جریان ارائه خدمات اورژانسی استفاده کنند. در آینده اندام‌های مصنوعی که برای حرکت به باتری نیاز دارند نیز می‌توانند به جای استفاده از منابع فعلی تامین انرژی، مبتنی بر تکنیک ارائه شده از سوی دانلون طراحی و ساخته شوند. اما این هم پایان داستان نیست. نسل بعدی بسیاری از دستگاه‌ها نظیر تلفن‌های همراه، سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی، آیپادها و دوربین‌های دیجیتالی این قابلیت را خواهند داشت تا با استفاده از این فناوری جدید کار کنند. استفاده از این تکنیک نوین، حتی می‌تواند برای علاقه‌مندان به پیاده روی و صخره نوردان که زمان قابل توجهی را به دور از منابع تامین کننده انرژی صرف می‌کنند کارایی قابل توجهی داشته باشد.

ژنراتورهای دیگری نیز که ساختار و قابلیت‌های مشابهی دارند، در حال ساخته شدن هستند و برای این کار از اصول الکترومغناطیسی مشابهی نظیر آنچه در «دریافت کننده بیونیکی انرژی» به کار رفته، استفاده شده است. به عنوان مثال لری رم از دانشگاه پنسیلوانیا، کوله‌پشتی نوری‌ای ساخته است که از حرکات طبیعی ران‌ها مقادیر قابل توجهی انرژی دریافت می‌کند. سیم‌های نصب شده در این سامانه جریان الکتریسیته را به باتری‌های مخصوصی هدایت می‌کنند. با این حال خروجی الکتریسیته نقطه عطف این فناوری است: 20 وات، که برای راه اندازی هرگونه دستگاه الکتریکی قابل حملی کافی است. اما نباید فراموش کرد که حمل این کوله 36 کیلوگرمی‌ کار بسیار سختی است. با این حال می‌توان به سبک‌تر ساختن آن امیدوار بود و از این روست که ارتش آمریکا برای استفاده از این کوله‌ها ابراز تمایل کرده است.

از چنین کوله پشتی سنگینی که بگذریم، نوبت به جهش جدیدی در این فرآیند می‌رسد. دکتر ژانگ لین وانگ و دو تن از همکارانش از انستیتو فناوری جورجیا، مینی ژنراتورهایی را طراحی و ساخته اند که می‌توان آنها را در تار و پود تی‌شرت یا سایر پوشش‌ها قرار دارد. این ریز‌سامانه‌ها می‌توانند از کوچک‌ترین حرکات بدن انرژی دریافت و آن را به دستگاه‌های قابل حمل منتقل کنند.

ژنراتورهای ارائه شده از سوی دکتر وانگ از فیزوالکتریسیته در ابعاد کوچک استفاده می‌کنند. وی در مدل پیش ساخته خود کریستال‌های اکسید روی را روی فیبرهای مخصوصی تولید می‌کند. این کریستال‌ها روی نانوسیم‌هایی شبیه هزاران موی ریز و زبر قرار می‌گیرند و زمانی که در برخورد با یکدیگر قرار می‌گیرند خمیده شده و الکتریسیته تولید می‌کنند. در این مدل پیش ساخته، فیبرهایی به طول 2 سانتی‌متر بالغ بر 16 پیکو وات یا معادل 16 تریلیونوم وات الکتریسیته تولید می‌کنند. این میزان بسیار ناچیز است، اما الکتریسیته تولید شده با افزایش شمار فیبرها افزایش می‌یابد. محققان پیش‌بینی می‌کنند پوشش‌هایی که با استفاده از این فیبرها تولید می‌شوند می‌توانند به ازای 11 فوت مربع از بافت یاد شده تا 80 میلی وات الکتریسیته تولید کنند که تقریبا برای راه‌اندازی تلفن همراه و یا سایر دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل کافی است. در حالی که پیش بینی می‌شود تا حدود 5 سال آینده پوشش‌های تولیدکننده الکتریسیته روانه بازار شوند، دکتر وانگ و همکارانش باید بر چالش‌های متعددی غلبه کنند. بزرگ‌ترین مشکل این است که نانوفیبرهای به کار رفته در این پروژه، نمی‌توانند رطوبت را جذب خود کنند. استفاده از آستری‌های ویژه، راه حلی تقریبا امیدوارکننده است، و از این رو دکتر وانگ با بهره بردن از آن، احتمال استفاده از فیبرهای نانویی ضد آب را نیز بررسی می‌کند.

هدف بعدی این محقق، تولید فیبرهایی با بازده کاری بالاتر است. در این خصوص وی در حال بررسی طیف گسترده‌ای از پلیمرهاست و در این میان روش‌های بهتری از ترکیب این مواد و جمع‌آوری بارهای الکتریکی را جستجو می‌کند. اما حتی اگر این نانوفیبرها نیز بازده کاری بالاتری نداشته باشند، با این حال ممکن است با استفاده از آنها انرژی تولید شده در بدن را برای راه اندازی دستگاه‌های قابل حمل به کار برد.

دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شوند و از این رو نیاز به انرژی در آنها به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. اما این معادله به باتری‌هایی با قابلیت‌های بالا نیاز دارد؛ باتری‌هایی که انرژی متراکم شده را در بازه زمانی طولانی ذخیره کنند. به نظر می‌رسد با توجه به این پیشرفت‌ها آن روز دور نیست که راه رفتن و حرکات بدن ثمر چندانی برای زندگی نداشته باشد. فلسفه‌ای که در این ایده نوین نهفته است استفاده نامحسوس از انرژی است؛ یعنی به جای این‌که هوشیارانه برای تولید انرژی زمان صرف شود، انرژی نظیر الکتریسیته تنها به واسطه حرکات عادی و روزمره بدن تولید و به کار گرفته شود.

فاطمه پورمزرعه