Гибкие биотопливные элементы получают энергию из человеческого пота

Группа американских инженеров разработала гибкие биотопливные элементы, которые получают электрическую энергию из пота для питания носимых медицинских гаджетов.

Новое поколение элементов генерирует вдесятеро больше энергии на единицу площади, чем любые существующие в мире аналоги.

Эпидермальные биотопливные элементы (epidermal biofuel cells) представляют собой технологию, предназначенную в основном для медицинского применения. Сотрудники Университета Калифорнии в Сан-Диего рассчитывают питать с их помощью кардиомониторы, фитнес-браслеты и подобные им устройства.

Высокой эффективности удалось достичь благодаря сочетанию умной химии, передовых материалов и электронных интерфейсов. Эластичная электронная основа, выложенная трехмерными углеродными нанотрубками с помощью литографии и трафаретной печати, стала настоящим прорывом.

Внутри биотопливных элементов содержится энзим, который окисляет молочную кислоту из пота, генерируя постоянный электрический ток. Таким образом, приклеенная к телу пациента гибкая батарейка может стать фактически неисчерпаемым источником энергии, пока человек живет и двигается.

Подробности уникального проекта сообщаются на страницах Energy & Environmental Science.

Первые испытания прототипа продемонстрировали, что гибкий биотопливный элемент на предплечье пользователя одновременно снабжает энергией смартфон и Bluetooth-радио. Правда, для этого участнику пришлось интенсивно крутить педали велосипеда. Но это лишь первые шаги новой технологии!

Серьезным препятствием стало физиологическое снижение концентрации молочной кислоты в человеческом поте со временем. Из-за этого досадного нюанса элементы нормально работали лишь четыре минуты. В будущем исследователи надеются решить проблему с помощью миниатюрных аккумуляторов.

Профессор Джозеф Вонг (Joseph Wang), руководитель Центра носимых сенсоров при UC San Diego, разрабатывает инновационную «батарейку» в соавторстве с профессором Патриком Мерсье (Patrick Mercier) и профессором Шенг Ксу (Sheng Xu) из Школы инжиниринга Джейкобса.

Острова и мосты

Чтобы достичь полной совместимости с носимыми электронными устройствами, биотопливный элемент должен быть гибким и растяжимым. Иначе говоря, комфортным в ношении. Для этого инженеры решили построить его по схеме «острова и мосты». В основе архитектуры лежит сетка из точек, соединенных пружинными структурами. Половину точек составляют аноды, половину – катоды.

Пружинные конструкции («мосты») между электродами («островами») способны изгибаться и растягиваться, благодаря чему элементы становятся гибкими, а катоды и аноды не деформируются.

На первом этапе производства из чистого золота литографией изготавливается основа для элементов. Второй этап – трафаретная печать для нанесения биотопливных материалов поверх электродной сетки.

Повышение мощности биотопливных элементов

Самой большой трудностью исследователи называют повышение возможностей элементов, выработки энергии на единицу площади. Это ключ к успеху, ведь большинство медицинских гаджетов отличаются прожорливостью и требуют больше энергии, чем давали предыдущие прототипы.



«Нам предстояло понять, какая комбинация материалов лучшая, и каким должно быть оптимальное соотношение между ними. Чтобы повысить эффективность, мы отпечатали углеродные нанотрубки с анодом и катодом на конце. Полость трубок вмещала максимум энзима, который реагирует с молочной кислотой и генерирует желанную энергию. Наконец, трубки позволяют облегчить транспорт электронов, повышая общую эффективность», - рассказал молодой ученый Амай Бандодкар (Amay Bandodkar).

Следующие шаги

Будущие работы калифорнийских исследователей сосредоточены в двух направлениях.

Во-первых, используемый оксид серебра в катодах нужно защитить от света или заменить менее капризным веществом. 

Во-вторых, концентрация молочной кислоты в человеческом поте уменьшается со временем, из-за чего придется аккумулировать полученную энергию для стабильной работы электроники.

Константин Моканов: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик