Ученые из Технического университета Норте в Ибарре разработали акустический бароионный генератор – устройство, способное извлекать микроватты энергии из обычного городского шума. Источником энергии для него могут служить низкочастотные акустические колебания: гул вентиляции, шум автомобильных потоков или работа промышленного оборудования. В перспективе такая технология может питать датчики и элементы «умного города», используя тот самый шум, который современная инфраструктура сама же и производит.
Современные технологии сбора энергии из окружающей среды имеют ряд ограничений. Пьезоэлектрические и электромагнитные генераторы, например, эффективны только при сильных вибрациях или на высоких частотах, а трибоэлектрические устройства чувствительны к влаге и загрязнениям. Эквадорские исследователи предложили обойти эти проблемы, отказавшись от движущихся твердых деталей и сделав ставку на более тонкий физический механизм – движение ионов в жидкости под действием звукового давления.
В основе их идеи лежит использование резонатора Гельмгольца – акустической полости с узким каналом, напоминающей бутылку, в которую дуют. Такой резонатор способен усиливать колебания давления на определенной частоте. Усиленные звуковые колебания затем направляются на мембрану из пористого оксида алюминия, через которую проходит жидкость-электролит. Под действием давления она начинает протекать через наноскопические поры мембраны, увлекая за собой ионы. В результате возникает так называемый потоковый потенциал – разность электрических напряжений, которую можно снять с электродов.
Расчеты показали, что при оптимальных условиях устройство может генерировать напряжение до 100 милливольт на квадратный сантиметр мембраны и мощность около одного микроватта на квадратный сантиметр. Это немного, однако такой энергии уже достаточно для питания маломощной электроники – например датчиков температуры, вибрации или качества воздуха, которые передают данные лишь время от времени.
Чтобы проверить свои расчеты, исследователи создали трехмерную модель генератора высотой около 4 см. Она включает три основные части: корпус с акустической полостью, кольцо-держатель с мембраной из анодированного оксида алюминия и крышку с узким горлышком, через которое внутрь поступает звук. Конструкция настроена на частоту около 120 герц, характерную для шума вентиляционных систем и автомобильного движения. Моделирование показало, что устройство таких размеров действительно может усиливать акустическое давление и создавать на мембране перепад давления, достаточный для генерации рассчитанного напряжения.
Одно из главных преимуществ разработанного генератора – его простота. Устройство полностью герметично и не имеет движущихся частей, а значит может работать долго даже в запыленной или влажной среде. По мнению исследователей, такие микрогенераторы можно устанавливать внутри вентиляционных каналов, в оконных рамах зданий рядом с оживленными дорогами или на промышленных объектах, где постоянно присутствует низкочастотный шум.
Следующим шагом должно стать создание экспериментального прототипа и его испытание в реальных условиях: в воздуховодах, на фасадах зданий или рядом с промышленными установками. Если технология подтвердит свою эффективность, городская инфраструктура за счет собственного повседневного шума сможет частично обеспечивать энергией собственные датчики и системы мониторинга.
