Углеродные нанотрубки и лактатоксидаза помогли получить электричество из спящих людей

Американские ученые разработали устройство, способное получать электроэнергию из человеческого тела даже во время сна. Они соединили биотопливный элемент, который умеет собирать пот с кончиков пальцев и окислять содержащийся в нем лактат, и пьезоэлемент, который может вырабатывать дополнительную электроэнергию, когда человек печатает текст на компьютере или смартфоне. За десять часов сна устройство на одном пальце может запасти электроэнергию, достаточную для питания наручных часов в течение суток, а во время работы за компьютером — вдвое больше. Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.

Электричество из человеческого тела можно получить разными способами: из тепла с помощью термоэлектрических генераторов, из механической энергии движений с помощью трибоэлектрических генераторов и пьезоэлементов, и даже путем окисления веществ, которые содержатся в нашем поте и слезах. Однако у большинства таких устройств есть общий недостаток — чтобы они начали работать человек должен активно двигаться и потеть (или хотя бы находиться в холодном помещении). То есть для того, чтобы превратить какую-то долю энергии в электричество, нужно параллельно потратить большое количество энергии просто так. А вот изготовить подобные устройства, которые могли бы получать электричество из человеческого тела в пассивном режиме, гораздо труднее.

Ученые из Калифорнийского Университета в Сан-Диего под руководством Джозефа Ванга (Joseph Wang) разработали устройство, которое может получать электроэнергию, даже когда человек находится в покое (например, спит). Их устройство представляет собой миниатюрный топливный элемент работающий на окислении лактат-ионов (молочной кислоты и ее солей), которые содержатся в человеческом поту. В такой ячейке на аноде под действием фермента лактатоксидазы ион лактата превращаются в ионы пирувата. а на катоде происходит реакция восстановления кислорода. Лактатные биотопливные элементы уже использовались ранее другими учеными, но Ванг и его коллеги разместили устройства в нетипичном месте — на кончиках пальцев. К биотопливной ячейке они добавили пьезоэлектрический элемент, который помогает получать дополнительную энергию, когда человек работает с клавиатурой, мышкой или дисплеем телефона.
Основу биотопливного элемента авторы работы изготовили из пористой пены на основе нанотрубок (УНТ-пены). Это прочный и гибкий материал, который эффективно впитывает воду и достаточно стабилен, чтобы выдержать нанесение всех остальных слоев. Для того, чтобы сделать платиновый катод, на УНТ-пену сначала методом электроосаждения нанесли медь и платину, а затем медь полностью растворили. Получились наночастицы платины в порах УНТ-пены. Анод изготовили, нанеся на УНТ-пену 1,4-нафтохинон, фермент лактатоксидазу и хитозан. После этого катод и анод соединили вместе, причем оказалось, что для получения максимальной мощности площадь анода должна быть вдвое больше, чем площадь катода. Чтобы облегчить адсорбцию пота, на внутреннюю поверхность биотопливного элемента, нанесли гидрогель из поливинилацетата. К внешней поверхности присоединили пьезоэлектрический элемент на основе титаната циркония и свинца, а для защиты все упаковали в полимерную пищевую пленку. Готовое устройство имеет площадь в один квадратный сантиметр, а к пальцу его можно прикрепить с помощью стандартной липкой ленты.

За 10 часов сна биотопливный элемент на одном пальце может накопить до 400 миллиджоулей электроэнергии — этого достаточно для питания электронных наручных часов в течение суток. Когда человек работает за компьютером, его пальцы потеют сильнее, поэтому производство электроэнергии возрастает почти вдвое — до 79 миллиджоулей в час, а пьезоэлектрический элемент добавляет к этому еще около 30 миллиджоулей в час.

Авторы отмечают, что количество электроэнергии, выдаваемой биотопливным элементом, зависит от количества пота и содержания лактатов, поэтому для разных людей результат может отличаться более, чем в два раза. Эффективность пьезоэлектрической части была более постоянной, но тоже отличалась для разных испытуемых и при разных видах активности. Впрочем, выборка испытуемых в исследовании Ванга и его коллег пока что была совсем небольшой. Параметры, влияющие на количество полученной электроэнергии, авторы планируют подробнее изучить в будущих работах.

В марте мы писали об умной куртке, которая вырабатывает электричество двумя способами одновременно — правда человеку для этого все-таки приходится двигаться. Трибоэлектрические генераторы на рукавах работают за счет трения во время ходьбы и бега, а лактатный биотопливный элемент, похожий на тот, который использовали Ванг и его коллеги — и во время движения и после того, как оно прекратилось. В результате за десять минут быстрой ходьбы можно запасти электроэнергию для питания жидкокристаллического дисплея в течение тридцати минут.

Наталия Самойлова