کمبود انرژی، بحرانی است که اگر چه از همین حالا بشر با آن روبه‌رو است اما مطمئنا در دهه‌های آتی آشکارتر خواهد شد. برای رهایی از چنین شرایطی ـ که نسل‌های آینده را تحت تأثیر قرار خواهد دادـ باید از هم اکنون کاری کرد. ایده‌های مختلفی در سال‌های گذشته ارائه شده‌اند که برخی از آنها نیز به دلیل به صرفه بودن و داشتن توجیه فنی به مرحله عملیاتی رسیده‌اند. حالا به نظر می‌رسد، نوبت یکی از هیجان‌انگیزترین آنها رسیده است، یعنی استفاده از انرژی تولیدشده از طریق بدن. به عقیده دانشمندان، انرژی قابل توجهی که همه روزه از بدن انسان تلف می‌شود، گرچه شاید برای تأمین روشنایی یک واحد مسکونی کافی نباشد، اما می‌توان از آن برای شارژ باتری، رایانه و تلفن همراه در عصر حاضر و کارهایی بزرگ‌تر در دهه آینده استفاده کرد.

بدن انسان همواره مقادیر قابل توجهی انرژی تولید می‌کند. یک انسان بالغ، معادل یک باتری به وزن یک تن دارای انرژی ذخیره‌شده در چربی است. این میزان قابل توجه، سوخت مورد نیاز بدن را برای انجام فعالیت‌های روزمره تأمین می‌کند، اما چه می‌شود اگر این انرژی نسبتا هنگفت برای فعال‌سازی دستگاه‌های الکترونیکی به کار گرفته شود که همه روزه با آنها سر و کار داریم؟ این همان مقوله هیجان‌انگیزی است که موجب شده بسیاری از مخترعان در سراسر جهان به فکر طراحی و ساخت سیستم‌هایی برای استفاده از انرژی بدن انسان در راه‌اندازی دستگاه‌های مختلف الکترونیکی بیفتند.

حرکات بدن، انرژی جنبشی تولید می‌کنند که قابلیت تبدیل به برق را دارد. در گذشته، دستگاه‌هایی نظیر نوعی رادیو، رایانه و چراغ قوه ارائه شده‌اند که انرژی جنبشی تولید شده به وسیله بدن را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. در این موارد حضور کامل شخص، یکی از مهم‌ترین نکاتی است که به چشم می‌آید، اما آنچه امروزه در ذهن دانشمندان می‌گذرد، نسخه به روزشده‌ای از این نگرش است، یعنی وضعیتی که از انرژی جنبشی بدن برای راه‌اندازی دستگاه‌های مختلف استفاده شود بی‌آن که افراد در جریان این فرآیند قرار داشته باشند. به عنوان مثال، یک باشگاه ورزشی را تصور کنید که شمار قابل توجهی از افراد ساعاتی را در آن صرف انجام حرکات مختلف ورزشی می‌کنند و از این راه، مقادیر قابل توجهی انرژی آزاد می‌شود. با هر گامی که روی تردمیل برداشته می‌شود، کالری زیادی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود که با استفاده از آن می‌توان ژنراتور کوچکی را به حرکت درآورد و در نتیجه برق تولید کرد. انرژی‌ای که از کارهای روزمره و حرکات ورزشی یک فرد آزاد می‌شود، گرچه ممکن است چندان زیاد نباشد، اما وقتی صحبت از گروهی صدنفره یا بیشتر به میان می‌آید، قضیه فرق می‌کند. این همان ایده‌ای است که در قالب پروژه سالن ورزشی Green Microgym پورتلند آمریکا از آن بحث می‌شود؛ جایی که ماشین آلاتی نظیر دوچرخه‌های ثابت، انرژی رها شده از بدن در حین انجام حرکات ورزشی را به کار می‌گیرند. افراد در حالی که روی این دستگاه‌ها رکاب می‌زنند، ژنراتوری را می‌چرخانند که آن نیز به نوبه خود الکتریسیته تولید می‌کند و جالب این‌که از همین الکتریسیته برای تأمین روشنایی مجموعه استفاده می‌شود. در حال حاضر، انرژی انسانی که از این طریق به کار گرفته می‌شود تنها سهم اندکی در تامین انرژی مورد نیاز بخش‌های مختلف این سالن ورزشی ایفا می‌کند اما مدیران این مجموعه معتقدند در آینده و با افزایش شمار دستگاه‌هایی که در این سالن به کار گرفته خواهد شد، این سهم، افزایش چشمگیری خواهد یافت. آدام باسل، رئیس این سالن ورزشی می‌گوید: ما به دنبال دستیابی به یک مجموعه ورزشی با ضریب آلایندگی صفر هستیم. فکر می‌کنیم با استفاده از انرژی‌های جایگزینی نظیر انرژی خورشیدی و حتی باد در کنار انرژی رها شده از بدن ورزشکاران می‌توانیم به این چشم‌انداز دست‌یابیم. البته این سالن ورزشی، نخستین مکان دنیا به شمار نمی‌آید که از چنین ایده‌ای برای تأمین انرژی استفاده می‌کند. در بسیاری از کشورهای جهان سال‌هاست، دوچرخه‌سواران حرفه‌ای، همزمان با رکاب زدن در جاده‌ها و افزایش مهارت ورزشی خود، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای روشنایی چراغ هشدار نصب‌شده در پشت دوچرخه را با رکاب زدن و راه‌اندازی دینام نصب‌شده در دوچرخه تامین می‌کنند.

در سالن‌هایی که حرکات موزون ورزشی و تمرینات دسته‌جمعی و تفریحی انجام می‌شود نیز ایده تولید انرژی الکتریکی از حرکات بدن بخوبی عملیاتی می‌شود. در روتردام هلند سالنی این چنینی وجود دارد. کف آن با استفاده از مواد مخصوصی ساخته شده است. انرژی جنبشی تولید شده از طریق افرادی که روی آن تحرک می‌کنند را دریافت و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این کف که به وسیله یک شرکت هلندی طراحی و ساخته شده، مبتنی بر تأثیر فیزوالکتریکی است که طی آن با بهره‌گیری از موادی خاص و زمانی که به هر وسیله‌ای تحت‌فشار قرار گیرد (در اینجا حرکات پا و فشار ناشی از آن مورد نظر است) جریان الکتریسیته تولید می‌کند. همزمان که افراد روی این سطح حرکات مختلف ورزشی انجام می‌دهند، کف فیزوالکتریکی تا حدود یک سانتی‌متر فشرده می‌شود. به این ترتیب تماسی میان سطح زیرین کف سالن با مواد فیزوالکتریکی موجود در زیر آن ایجاد و در نهایت ۲ تا ۲۰ وات الکتریسیته تولید می‌شود که البته این میزان به‌شدت فشاری بستگی دارد که از طریق پاهای افراد به کف سالن وارد می‌آید. در حال حاضر، انرژی الکتریکی که به این طریق به دست می‌آید، برای روشن کردن چراغ‌هایLED نصب شده در کف سالن کافی است، اما پیش‌بینی می‌شود در آینده میزان الکتریسیته تولید شده به این روش، بیشتر از مقادیر فعلی باشد. در مناطق دیگری از جهان از جمله لندن و سوریه نیز چنین سالن‌هایی راه‌اندازی شده‌اند. صاحبان این مجموعه‌ها امیدوارند در آینده، بالغ بر ۶۰ درصد برق مورد نیاز آنها از این طریق تامین شود.

تولید برق برای انرژی تلفن و رایانه همراه

تولید برق به این روش یعنی استفاده از حرکات ورزشکاران در حین انجام تمرینات ورزشی، مستلزم حضور فیزیکی کامل آنهاست و گرچه از حیث تامین انرژی، روشی کارآمد است، اما دانشمندان به دنبال چیزی فراتر از آن هستند. آنها می‌خواهند افراد عادی که در طول روز به سالن‌های ورزشی نمی‌روند نیز سهمی در تولید برق با تکیه بر حرکات روزمره و عادی بدن داشته باشند. چیزی که دانشمندان به دنبال آن هستند شارژ باتری تلفن و رایانه به وسیله حرکات عادی بدن مانند راه رفتن و حتی گرمای تولید شده به وسیله بدن نیست. مکث دانلان از آزمایشگاه لوکوموشن دانشگاه سیمون فاستر با همکاری گروهی از محققان آمریکایی و کانادایی در حال ساخت یک ژنراتور الکترومغناطیسی است که به جهت کوچکی ابعاد، براحتی در یک زانوبند قرار می‌گیرد. آنها موفق به طراحی و ساخت نمونه اولیه این فناوری نوین نیز شده‌اند.

این سیستم کوچک، انرژی رها شده در یک پیاده‌روی یک دقیقه‌ای را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند که با بهره‌گیری از آن، می‌توان از تلفن همراه بدون شارژ باتری تا نیم ساعت استفاده کرد. این ژنراتور زانویی از تجهیزات الکترونیکی پیچیده‌ای بهره می‌برد. هدف اصلی محققان، اطمینان یافتن از این نکته بوده که این سیستم، تنها از انرژی مازاد بدن استفاده می‌کند. رایانه‌ای نیز در دل سیستم جاسازی شده که با اندازه‌گیری دقیق و مداوم زاویه زانو در هرگام، تعیین می‌کند چه موقع ژنراتور فعال یا غیرفعال شود. تحقیقات نشان می‌دهد، در پیاده‌روی‌های روزمره از انرژی ماهیچه‌ای پاها برای شتاب‌بخشیدن به حرکات قوسی شکل و رو به جلوی پاها و همچنین کاستن از سرعت آنها در حین فرودآمدن روی زمین استفاده می‌شود. انرژی الکتریکی که از این طریق تولید می‌شود، به وسیله یک رشته سیم به شارژر باتری منتقل یا از آن برای روشن کردن دستگاه‌های کوچک قابل حمل استفاده می‌شود. این ژنراتور کوچک البته وزنی حدود یک کیلوگرم دارد که استفاده از آن در پیاده‌روی‌های طولانی تاحدودی عذاب‌آور خواهد بود. همین نکته موجب شده، طراحان آن به فکر استفاده از موادی مستحکم و درعین حال، سبک برای ساخت بخش‌های مختلف آن باشند. فیبر کربنی، همان ماده مورد نظر محققان پروژه بوده است. آنها با استفاده از این ماده، نسخه جدیدی از این ژنراتور را ساخته‌اند که تنها کمتر از نیم کیلوگرم وزن دارد. همچنین ریزرایانه‌ای در آن قرار می‌گیرد که کل فعالیت ژنراتور را تحت کنترل خواهد داشت. چنین دستگاهی کاربردهای زیادی در امور نظامی خواهد داشت. در همین ارتباط، ارتش کانادا سرمایه‌گذاری قابل توجهی در پروژه تحقیقات اخیر انجام داده است. مطالعاتی که اخیرا در ارتش این کشور انجام شده، نشان می‌دهد نظامیان معمولا باتری‌هایی را حمل می‌کنند که تا ۱۵ کیلوگرم وزن دارند. این باتری‌ها برای راه‌اندازی سیستم‌های ارتباطی و مسیریابی در میادین نظامی به کار گرفته می‌شود. گذشته از این کاربرد، می‌توان از چنین فناوری در لباس نیروهای آتش‌نشان و پلیس نیز استفاده کرد. این دسته از افراد معمولا تجهیزات الکترونیکی ارتباطاتی قابل حملی در دست دارند که با کمک گرفتن از این فناوری نوین می‌توان انرژی مورد نیاز را برای روشن ماندن آنها بویژه در موارد اضطراری تأمین کرد.

موفقیت‌های به دست آمده در این پروژه موجب شده محققان دست به جاه‌طلبی‌های بزرگ‌تری بزنند و آینده‌ای را متصور شوند که در آن، اندام‌های مصنوعی که به باتری نیاز دارند از این فناوری برای تامین انرژی حرکتی مورد نیاز خود استفاده کنند. پس چندان دور از ذهن نخواهد بود که نسل آتی سیستم‌ها و فناوری‌هایی نظیر تلفن‌های همراه، سیستم‌های موقعیت‌یاب جهانی، آیپادها و دوربین‌های دیجیتال نیز با تکیه بر انرژی الکتریکی به دست آمده از حرکات بدن انسان فعال شوند. این فناوری حتی می‌تواند برای اسکی بازها و صخره‌نوردها سودمند باشد. این دسته از ورزشکاران معمولا زمان زیادی را دور از خانه و شبکه‌های برق شهری سپری می‌کنند.

در دانشگاه پنسیلوانیا نیز کارهای مشابهی در دست انجام است. لری رم از محققان این دانشگاه است که اخیرا یک کوله‌پشتی موسوم به Lightning Pack ارائه کرده است. این کوله‌پشتی، انرژی حاصل از حرکات بالا و پایین رفتن ران فرد را در حین راه رفتن دریافت و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. همزمان با گام برداشتن فرد، محفظه کیف مانندی که در این کوله‌پشتی و روی فنری مخصوص قرار دارد، به جهش درمی‌آید. این محفظه به یک ژنراتور الکتریکی متصل است که برق حاصل از عملکرد آن به وسیله یک رشته سیم به باتری یا شارژر همراه فرد منتقل می‌شود. خروجی این کوله‌پشتی در نوع خود خیره‌کننده است: تولید ۲۰ وات برق تقریبا برای شارژ کردن تمامی سیستم‌های همراه کافی است، اما مشکل اینجاست که حمل این کوله‌پشتی برای بسیاری از افراد عملا غیرممکن است چون اگرچه ۲۰ وات برق تولید می‌کند، اما حدود ۴۰ کیلوگرم وزن دارد. البته این نکته نمی‌تواند عامل بازدارنده‌ای در راه پیشرفت این فناوری باشد و به نظر می‌رسد در آینده نسل جدید این کوله‌پشتی با وزنی بمراتب کمتر رونمایی خواهد شد.

آینده خیلی زود فرا رسیده است

شاید چندان هم نباید منتظر آینده ماند چون در همین اطراف، محققانی هستند که برای کوچک و سبک کردن این کوله‌پشتی کار می‌کنند. ژانگ لی وانگ ازجمله این محققان است که هم‌اکنون در انستیتو فناوری جورجیا روی این مقوله کار می‌کند. آنچه وی ارائه کرده، تنها به اندازه یک تکه بافت پارچه‌ای است. این مینی ژنراتورها را می‌توان براحتی به لباس دوخت و انرژی جنبشی تولید شده از طریق کوچک‌ترین حرکات بدن را دریافت و به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. در ادامه، این جریان الکتریکی برای شارژ سیستم‌های همراه به کار گرفته می‌شود. مینی‌ژنراتورهای ساخت وانگ از فیزوالکتریسیته در مقیاسی کوچک استفاده می‌کنند. وی در مدل پیش‌ساخته این فناوری نوین، کریستال‌های اکسید روی را روی فیبرهایی موسوم به Kevlar رشد داده است. این کریستال‌ها همچون زائده‌های بسیار ریزی هستند که هرگاه با یکدیگر اصطکاک پیدا کنند، جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. در این مدل پیش‌ساخته، فیبرهایی به طول ۲ سانتی‌متر وجود دارد که هر یک ۱۶ پیکووات یا ۱۶ تریلیوم وات برق تولید می‌کند. البته این میزان جریان برق بسیار ناچیز است، اما همزمان با افزایش شمار فیبرها، میزان برق تولید شده نیز افزایش می‌یابد.

محققان پیش‌بینی می‌کنند، استفاده از این فیبرها در لباس‌هایی که در آینده‌ای نه‌چندان دور تولید می‌شوند به تولید ۸۰ میلی‌وات برق به ازای هریک مترمربع بافت پارچه‌ای منجر خواهد شد. این میزان برق برای شارژ تلفن همراه یا سایر تجهیزات الکترونیکی نظیر رایانه همراه کافی است. تا پیش از تولید انبوه و همه‌گیر شدن استفاده از لباس‌هایی که از حرکات بدن افراد، برق تولید می‌کنند، وانگ و تیم تحقیقاتی همراهش باید چالش‌های مختلفی را از پیش‌رو بردارند. بزرگ‌ترین مشکل موجود این است که این نانوفیبرها خیس نمی‌شوند. این بدان معناست که واکنشی نسبت به عمل شستشو نشان نمی‌دهند. البته مشکلاتی از این دست حل شدنی به نظر می‌رسند. هدف بعدی این محقق، طراحی و تولید بافت‌هایی است که بازده کاری مناسبی داشته باشند. وی برای رسیدن به هدف خود مواد پلیمری مختلفی را آزمایش می‌کند. وانگ به دنبال روش‌های بهتر و موثرتر برای ترکیب این مواد پلیمری با بافت‌های پارچه و جمع‌آوری بارهای الکتریکی است. البته اگر این نانوفیبرها از این هم موثرتر نشوند، هنوز هم می‌توانند سیستم‌های همراهی نظیر تلفن و رایانه‌های همراه را تنها با حرکات بدن شارژ کنند. از سوی دیگر، تجهیزات الکترونیکی بتدریج کوچک‌تر می‌شوند و در نتیجه به برق کمتری نیز نیاز پیدا می‌کنند. از سوی دیگر باتری‌هایی که برای این سیستم‌ها ساخته می‌شوند، باید از ظرفیت بالاتری در ذخیره‌سازی انرژی برخوردار باشند. به این ترتیب زمینه لازم برای استفاده از انرژی جنبشی بدن افراد در تامین انرژی مورد نیاز سیستم‌های همراه به خودی خود فراهم می‌شود.

دانشمندانی که روی پروژه‌هایی از این دست کار می‌کنند، به چشم‌اندازی فکر می‌کنند که در آن، افراد در حالی که راه می‌روند و حرکات مختلف ورزشی انجام می‌دهند حتی بی‌آن که خود متوجه شوند، برق تولید می‌کنند. وانگ هم‌اکنون روی فیلم‌های پلیمری کار می‌کند که فیبرهای تولیدکننده برق را احاطه کرده و به آنها اجازه می‌دهند به عنوان ریزفناوری‌های قابل پیوند به بدن به کار گرفته شوند اما این تازه آغاز یک راه طولانی و هیجان‌انگیز است. در ادامه این راه می‌توان دورانی را متصور شد که در آن حتی از جریان خون در رگ‌های خونی برای تولید برق استفاده خواهد شد. البته این میزان الکتریسیته بسیار ناچیز است و می‌توان از آن در مواردی نظیر تامین انرژی مورد نیاز برای نشانگرها، پمپ‌های انسولینی و سایر ریزتجهیزات پزشکی که درون بدن بیماران به کار گرفته می‌شوند استفاده کرد. چنین چشم‌اندازی گرچه جاه‌طلبانه به نظر می‌رسد، اما با گذشت زمان و پیشرفت فناوری‌های نوین، واقع‌بینانه‌تر جلوه خواهد کرد.

منبع:جام جم انلاین