Исследователи из Технического университета Севера в Ибарре (Эквадор) разработали инновационный генератор, способный извлекать микроватты энергии из обычного городского шума. Устройство использует низкочастотные акустические вибрации: гул вентиляционных систем, движение транспорта или работу промышленного оборудования.
Современные технологии сбора энергии из окружающей среды сталкиваются с несколькими ограничениями. Пьезоэлектрические и электромагнитные генераторы эффективны только при сильных вибрациях или высоких частотах, а трибоэлектрические устройства чувствительны к влаге и загрязнениям. Эквадорские ученые предложили обойти эти проблемы, устранив движущиеся твердые части в пользу более тонкого физического механизма: движения ионов в жидкости под воздействием звукового давления.
Идея основана на использовании резонатора Гельмгольца – акустической полости с узким каналом, напоминающей бутылку, в которую дуют воздухом. Этот резонатор может усиливать колебания давления на определенной частоте. Усиленные звуковые вибрации направляются на мембрану из пористого оксида алюминия, через которую проходит электролитическая жидкость.
Под давлением жидкость начинает течь через наноскопические поры мембраны, увлекая за собой ионы. Это создает так называемый потенциал течения – разность электрических напряжений, которую можно измерить на электродах.
Расчеты показали, что устройство может генерировать напряжение до 100 милливольт на квадратный сантиметр мембраны и мощность примерно один микроватт на квадратный сантиметр в оптимальных условиях. Хотя это немного, такого количества энергии достаточно для маломощной электроники, такой как датчики температуры, вибрации или качества воздуха, которые передают данные только периодически.
Для проверки расчетов исследователи создали 3D-модель генератора высотой около 4 см. Конструкция настроена на частоту около 120 герц, что характерно для вентиляционных систем и движения транспорта. Моделирование показало, что устройство такого размера действительно способно усиливать акустическое давление и создавать достаточный перепад давления на мембране для генерации расчетного напряжения.
Одним из главных преимуществ нового генератора является его простота. Устройство полностью герметично и не имеет движущихся частей, что означает возможность длительной работы даже в пыльной или влажной среде. Исследователи считают, что подобные 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 станет создание экспериментального прототипа и его испытание в реальных условиях: в воздуховодах, на фасадах зданий или рядом с промышленными установками. Если технология окажется эффективной, городская инфраструктура сможет питать часть своих датчиков и систем мониторинга собственным повседневным шумом.