Могут ли птицы вырабатывать электричество?

Движение птичьих крыльев или погружение рыбы на глубину – естественные природные процессы. В их элегантной простоте исследователи видят решение сложных задач слияния технологий в биологических системах…

Как инженер-энергетик, доцент кафедры машиностроения Университета Северной Аризоны Майкл Шафер (Michael Shafer) понимает, что возможности животных по выработке энергии ограничены. Вряд ли мы когда-либо станем свидетелями того, как стаи дельфинов, плещущиеся в прибрежных водах, снабжают электричеством города, заменяя собой ветряные генераторы или солнечные панели. Однако в движении животные вполне могут самостоятельно питать миниатюрные устройства, необходимые биологам для изучения маршрутов перемещения и других особенностей поведения.

«Я пытаюсь извлечь энергию из всего, что вокруг нас – из разницы температуры, механической энергии, кинетической энергии – и преобразовать её в нечто полезное», – рассказывает доцент.

Ещё будучи аспирантом, Шафер пытался воплотить мечту в реальность. Он разработал рюкзак для птиц, ультра-лёгкий прибор, генерирующий энергию от взмахов птичьих крыльев. Устройство, разработанное учёным, основано на использовании свойств пьезоэлекрических кристаллов, вырабатывающих заряд при сжатии. Мощность 12-граммового прототипа «птичьего генератора» составляет 200-300 мкВт.

Сегодня Шафер продолжает исследования, надеясь применить природные принципы для использования в наземных и морских приложениях. Но также он не отказывается от прежнего направления, решая инженерные задачи с целью создания двустороннего информационного канала для биологов.

«Если бы я взялся за разработку энергетического комбайна для здания или статического датчика с дистанционным управлением для моста, это было бы сложно, – говорит Шафер. – Но ещё труднее разработать подобную систему и применить её к животному».

В случаях с птицами самое значительное ограничение – это вес, который они могут нести на себе. Большинство птиц весят менее 100 г и могут «взять» в полёт лишь около 4% от собственного веса.

Шафер видит свою задачу в максимальном использовании имеющихся возможностей, ориентируясь на принцип «слияния технологий» и используя достижения в изучении солнечных, пьезоэлектрических, электромагнитных, тепловых, кинетических и других процессов.

По его мнению, фактором, который стимулирует работу над миниатюрными сборщиками энергии и делает их жизнеспособными, стало резкое падение энергопотребления современной электроники. «Теперь маломощные источники энергии внезапно начинают становиться жизнеспособными в качестве способа питания электроники», – говорит учёный.

Тем не менее, несмотря на то что технический процесс делает электронику все миниатюрнее, ограничения по весу не исчезают, и задача состоит в том, чтобы предоставить в распоряжение биологов устройства, которые животные и птицы смогут носить на себе без заметных усилий и помех.

«Форм-фактор является главным драйвером системы и должен соответствовать животному. Вот уж где действительно приходится обращаться к биологам и подолгу топтаться на месте», – делится трудностями Шафер.