تسخير الطاقة البشرية: نظرة عامة عالمية على أنظمة الطاقة من حرارة الجسم

في عالم يركز بشكل متزايد على مصادر الطاقة المستدامة والمتجددة، تظهر تقنيات مبتكرة للاستفادة من الموارد غير التقليدية. أحد هذه المجالات التي تكتسب زخمًا هو طاقة حرارة الجسم، المعروفة أيضًا باسم حصاد الطاقة البشرية. يستكشف هذا المجال إمكانية تحويل الطاقة الحرارية التي يصدرها جسم الإنسان باستمرار إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. يقدم هذا المقال نظرة عامة شاملة على أنظمة الطاقة من حرارة الجسم، ويدرس التكنولوجيا الأساسية والتطبيقات الحالية والتحديات والآفاق المستقبلية من منظور عالمي.

ما هي الطاقة من حرارة الجسم؟

تشير الطاقة من حرارة الجسم إلى عملية التقاط وتحويل الطاقة الحرارية التي ينتجها جسم الإنسان إلى كهرباء. ينتج جسم الإنسان العادي كمية كبيرة من الحرارة، حوالي 100 واط في حالة الراحة، بشكل أساسي من خلال عمليات التمثيل الغذائي. تتبدد هذه الحرارة باستمرار في البيئة المحيطة، مما يمثل مصدر طاقة متاحًا بسهولة، وإن كان منخفض الجودة.

التكنولوجيا الأكثر شيوعًا المستخدمة لتوليد الطاقة من حرارة الجسم هي المولد الكهروحراري (TEG). المولدات الكهروحرارية هي أجهزة صلبة تحول الحرارة مباشرة إلى كهرباء بناءً على تأثير سيبيك. ينص هذا التأثير على أنه عندما يوجد فرق في درجة الحرارة بين موصلين كهربائيين أو شبه موصلين مختلفين، يتم إنشاء فرق جهد بينهما. من خلال وضع مولد كهروحراري على اتصال بجسم الإنسان وتعريض الجانب الآخر لبيئة أكثر برودة، يتم إنشاء تدرج في درجة الحرارة، مما يولد الكهرباء.

كيف تعمل المولدات الكهروحرارية

تتكون المولدات الكهروحرارية من العديد من المزدوجات الحرارية الصغيرة المتصلة كهربائيًا على التوالي وحراريًا على التوازي. يتكون كل مزدوج حراري من مادتين شبه موصلتين مختلفتين، وعادة ما تكون سبائك تيلوريد البزموت (Bi₂Te₃). يتم اختيار هذه المواد لمعامل سيبيك العالي والموصلية الكهربائية الجيدة، بالإضافة إلى الموصلية الحرارية المنخفضة، لزيادة كفاءة الجهاز.

عندما يتم تسخين جانب واحد من المولد الكهروحراري (على سبيل المثال، عن طريق ملامسة جسم الإنسان) ويتم تبريد الجانب الآخر (على سبيل المثال، عن طريق التعرض للهواء المحيط)، تهاجر الإلكترونات والثقوب (حاملات الشحنة في أشباه الموصلات) من الجانب الساخن إلى الجانب البارد. تخلق حركة حاملات الشحنة هذه فرق جهد عبر كل مزدوج حراري. يؤدي التوصيل التسلسلي للعديد من المزدوجات الحرارية إلى تضخيم هذا الجهد، مما ينتج عنه خرج كهربائي قابل للاستخدام.

تتحدد كفاءة المولد الكهروحراري بفرق درجة الحرارة عبر الجهاز وخصائص مواد أشباه الموصلات. إن عامل الجدارة (ZT) هو معامل بلا أبعاد يميز أداء المادة الكهروحرارية. تشير قيمة ZT الأعلى إلى أداء كهروحراري أفضل. على الرغم من إحراز تقدم كبير في أبحاث المواد الكهروحرارية، إلا أن كفاءة المولدات الكهروحرارية لا تزال منخفضة نسبيًا، وعادة ما تكون في نطاق 5-10%.

تطبيقات أنظمة الطاقة من حرارة الجسم

تمتلك أنظمة الطاقة من حرارة الجسم مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة، لا سيما في الإلكترونيات القابلة للارتداء والأجهزة الطبية والاستشعار عن بعد. إليك بعض المجالات الرئيسية التي يتم فيها استكشاف هذه التكنولوجيا:

الإلكترونيات القابلة للارتداء

أحد أكثر التطبيقات الواعدة للطاقة من حرارة الجسم هو تشغيل الإلكترونيات القابلة للارتداء. تتطلب أجهزة مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وأجهزة الاستشعار طاقة مستمرة، وغالبًا ما تعتمد على بطاريات تحتاج إلى إعادة شحنها أو استبدالها بانتظام. يمكن للمولدات الكهروحرارية التي تعمل بحرارة الجسم أن توفر مصدر طاقة مستمرًا ومستدامًا لهذه الأجهزة، مما يلغي الحاجة إلى البطاريات أو الشحن المتكرر.

أمثلة:

• الساعات الذكية: يعمل الباحثون على تطوير ساعات ذكية مدمجة بمولدات كهروحرارية يمكنها حصاد الطاقة من حرارة الجسم لتشغيل الجهاز، مما يطيل عمر بطاريته أو حتى يلغي الحاجة إلى بطارية بالكامل.
• أجهزة تتبع اللياقة البدنية: يمكن لأجهزة تتبع اللياقة البدنية التي تعمل بحرارة الجسم مراقبة العلامات الحيوية باستمرار مثل معدل ضربات القلب ودرجة حرارة الجسم ومستويات النشاط دون الحاجة إلى شحن متكرر.
• الملابس الذكية: يمكن دمج المولدات الكهروحرارية في الملابس لتشغيل أجهزة الاستشعار والمكونات الإلكترونية الأخرى، مما يتيح المراقبة الصحية المستمرة والتغذية الراجعة الشخصية. تستكشف شركات مثل Q-Symphony هذه التكاملات.

الأجهزة الطبية

يمكن أيضًا استخدام الطاقة من حرارة الجسم لتشغيل الأجهزة الطبية، لا سيما الأجهزة القابلة للزرع مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة قياس الجلوكوز. يتطلب استبدال البطاريات في الأجهزة القابلة للزرع جراحة، مما يشكل مخاطر على المريض. يمكن للمولدات الكهروحرارية التي تعمل بحرارة الجسم أن توفر مصدر طاقة طويل الأمد وموثوقًا لهذه الأجهزة، مما يقلل من الحاجة إلى استبدال البطاريات ويحسن نتائج المرضى.

أمثلة:

• أجهزة تنظيم ضربات القلب: يعمل الباحثون على تطوير أجهزة تنظيم ضربات قلب ذاتية التشغيل تحصد الطاقة من حرارة الجسم لتنظيم إيقاع القلب.
• أجهزة قياس الجلوكوز: يمكن لأجهزة قياس الجلوكوز التي تعمل بحرارة الجسم تتبع مستويات السكر في الدم باستمرار دون الحاجة إلى مصادر طاقة خارجية.
• أنظمة توصيل الدواء: يمكن للمولدات الكهروحرارية تشغيل المضخات الدقيقة والمكونات الأخرى لأنظمة توصيل الدواء القابلة للزرع، مما يتيح إطلاقًا دقيقًا ومتحكمًا للدواء.

الاستشعار عن بعد

يمكن استخدام الطاقة من حرارة الجسم لتشغيل أجهزة الاستشعار عن بعد في تطبيقات مختلفة، مثل المراقبة البيئية والمراقبة الصناعية وأنظمة الأمن. غالبًا ما تعمل هذه المستشعرات في مواقع نائية أو يصعب الوصول إليها حيث يكون استبدال البطاريات غير عملي. يمكن للمولدات الكهروحرارية التي تعمل بحرارة الجسم أن توفر مصدر طاقة موثوقًا ومستدامًا لهذه المستشعرات، مما يتيح جمع البيانات ومراقبتها بشكل مستمر.

أمثلة:

• المراقبة البيئية: يمكن نشر أجهزة استشعار تعمل بحرارة الجسم في المناطق النائية لمراقبة درجة الحرارة والرطوبة وغيرها من المعايير البيئية.
• المراقبة الصناعية: يمكن للمولدات الكهروحرارية تشغيل أجهزة الاستشعار التي تراقب حالة الآلات والمعدات في البيئات الصناعية، مما يتيح الصيانة التنبؤية ومنع أعطال المعدات.
• أنظمة الأمن: يمكن استخدام أجهزة الاستشعار التي تعمل بحرارة الجسم في أنظمة الأمن للكشف عن المتسللين ومراقبة النشاط في المناطق المحظورة.

تطبيقات أخرى

إلى جانب التطبيقات المذكورة أعلاه، يتم استكشاف أنظمة الطاقة من حرارة الجسم أيضًا من أجل:

• أجهزة إنترنت الأشياء (IoT): تشغيل أجهزة إنترنت الأشياء الصغيرة منخفضة الطاقة والتي أصبحت منتشرة بشكل متزايد في مختلف الصناعات والتطبيقات.
• طاقة الطوارئ: توفير طاقة احتياطية في حالات الطوارئ، مثل الكوارث الطبيعية أو انقطاع التيار الكهربائي.
• التطبيقات العسكرية: تشغيل الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار التي يرتديها الجنود للاتصالات والملاحة والوعي بالموقف.

التحديات والقيود

على الرغم من الفوائد المحتملة للطاقة من حرارة الجسم، إلا أن هناك العديد من التحديات والقيود التي يجب معالجتها قبل أن يتم اعتماد هذه التكنولوجيا على نطاق واسع:

الكفاءة المنخفضة

كفاءة المولدات الكهروحرارية منخفضة نسبيًا، وعادة ما تكون في نطاق 5-10%. هذا يعني أنه يتم تحويل جزء صغير فقط من الطاقة الحرارية إلى كهرباء. يعد تحسين كفاءة المولدات الكهروحرارية أمرًا بالغ الأهمية لزيادة خرج الطاقة وجعل أنظمة الطاقة من حرارة الجسم أكثر عملية.

فرق درجات الحرارة

تتناسب كمية الطاقة التي يولدها المولد الكهروحراري طرديًا مع فرق درجة الحرارة بين الجانبين الساخن والبارد. يمكن أن يكون الحفاظ على فرق كبير في درجة الحرارة أمرًا صعبًا، خاصة في البيئات ذات درجات الحرارة المحيطة المرتفعة أو عندما يكون الجهاز مغطى بالملابس. تعد الإدارة الفعالة للحرارة والعزل ضروريين لزيادة فرق درجة الحرارة وخرج الطاقة.

تكاليف المواد

المواد المستخدمة في المولدات الكهروحرارية، مثل سبائك تيلوريد البزموت، يمكن أن تكون باهظة الثمن. يعد خفض تكلفة هذه المواد أمرًا مهمًا لجعل أنظمة الطاقة من حرارة الجسم ميسورة التكلفة ومتاحة. تركز الأبحاث على تطوير مواد كهروحرارية جديدة أكثر وفرة وأقل تكلفة.

حجم ووزن الجهاز

يمكن أن تكون المولدات الكهروحرارية ضخمة وثقيلة نسبيًا، مما قد يمثل قيدًا للتطبيقات القابلة للارتداء. يعد تصغير المولدات الكهروحرارية وتقليل وزنها أمرًا مهمًا لجعلها أكثر راحة وعملية للاستخدام اليومي. يتم تطوير تقنيات تصنيع دقيقة جديدة لإنشاء مولدات كهروحرارية أصغر وأخف وزنًا.

مقاومة التلامس

يمكن أن تقلل مقاومة التلامس بين المولد الكهروحراري وجسم الإنسان من كفاءة نقل الحرارة. يعد ضمان الاتصال الحراري الجيد بين الجهاز والجلد أمرًا بالغ الأهمية لزيادة خرج الطاقة. يمكن تحقيق ذلك من خلال استخدام مواد الواجهة الحرارية وتصميم الجهاز الأمثل.

المتانة والموثوقية

يجب أن تكون المولدات الكهروحرارية متينة وموثوقة لتحمل قسوة الاستخدام اليومي. يجب أن تكون قادرة على تحمل الإجهاد الميكانيكي وتقلبات درجات الحرارة والتعرض للرطوبة والعرق. يعد التغليف والتعبئة المناسبان ضروريين لحماية المولد الكهروحراري وضمان أدائه على المدى الطويل.

جهود البحث والتطوير العالمية

تُبذل جهود بحث وتطوير كبيرة في جميع أنحاء العالم للتغلب على تحديات وقيود أنظمة الطاقة من حرارة الجسم وإطلاق العنان لإمكاناتها الكاملة. وتركز هذه الجهود على:

تحسين المواد الكهروحرارية

يستكشف الباحثون مواد كهروحرارية جديدة ذات قيم ZT أعلى. ويشمل ذلك تطوير سبائك جديدة وهياكل نانوية ومواد مركبة. على سبيل المثال، طور علماء في جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة مادة كهروحرارية مرنة يمكن دمجها في الملابس. في أوروبا، تنسق الجمعية الأوروبية الكهروحرارية (ETS) جهود البحث عبر عدة بلدان.

تحسين تصميم الجهاز

يعمل الباحثون على تحسين تصميم المولدات الكهروحرارية لزيادة نقل الحرارة وتقليل الفقد الحراري. ويشمل ذلك استخدام المبددات الحرارية المتقدمة وأنظمة التبريد بالمائع الدقيق وهياكل الأجهزة الجديدة. طور باحثون في جامعة طوكيو في اليابان مولدًا كهروحراريًا دقيقًا يمكن دمجه في أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. علاوة على ذلك، تعمل فرق بحثية مختلفة في كوريا الجنوبية على تصميمات مولدات كهروحرارية مرنة لتطبيقات الأجهزة القابلة للارتداء.

تطوير تطبيقات جديدة

يستكشف الباحثون تطبيقات جديدة لأنظمة الطاقة من حرارة الجسم في مجالات مختلفة، مثل الرعاية الصحية والمراقبة البيئية والأتمتة الصناعية. ويشمل ذلك تطوير الأجهزة الطبية ذاتية التشغيل وأجهزة الاستشعار اللاسلكية وأجهزة إنترنت الأشياء. تشمل الأمثلة المشاريع الممولة من المفوضية الأوروبية في إطار برنامج Horizon 2020، والتي تركز على حصاد الطاقة للأجهزة القابلة للارتداء في مجال الرعاية الصحية.

خفض التكاليف

يعمل الباحثون على خفض تكلفة المولدات الكهروحرارية باستخدام مواد أكثر وفرة وأقل تكلفة وتطوير عمليات تصنيع أكثر كفاءة. ويشمل ذلك استخدام تقنيات التصنيع المضافة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، لإنشاء مولدات كهروحرارية ذات أشكال هندسية معقدة وأداء محسن. في الصين، تستثمر الحكومة بكثافة في أبحاث المواد الكهروحرارية لتقليل الاعتماد على المواد المستوردة.

الآفاق المستقبلية

يبدو مستقبل أنظمة الطاقة من حرارة الجسم واعدًا، مع إمكانات كبيرة للنمو والابتكار. مع استمرار تحسن المواد الكهروحرارية وتقنيات الأجهزة، من المتوقع أن تلعب طاقة حرارة الجسم دورًا متزايد الأهمية في تشغيل الإلكترونيات القابلة للارتداء والأجهزة الطبية والتطبيقات الأخرى. سيؤدي الحجم والتكلفة المتناقصان للإلكترونيات جنبًا إلى جنب مع الطلب المتزايد على الأجهزة ذاتية التشغيل إلى زيادة اعتماد أنظمة الطاقة من حرارة الجسم.

الاتجاهات الرئيسية التي يجب مراقبتها:

• المواد الكهروحرارية المتقدمة: التطوير المستمر للمواد الكهروحرارية عالية الأداء ذات قيم ZT محسنة وتكاليف مخفضة.
• المولدات الكهروحرارية المرنة والقابلة للتمدد: تطوير مولدات كهروحرارية يمكن أن تتوافق مع شكل جسم الإنسان وتتحمل الإجهاد الميكانيكي.
• التكامل مع الأجهزة القابلة للارتداء: التكامل السلس للمولدات الكهروحرارية في الملابس والإكسسوارات وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء.
• الأجهزة الطبية ذاتية التشغيل: تطوير أجهزة طبية قابلة للزرع والارتداء تعمل بحرارة الجسم، مما يقلل الحاجة إلى استبدال البطاريات.
• تطبيقات إنترنت الأشياء: النشر الواسع النطاق لأجهزة الاستشعار والأجهزة التي تعمل بحرارة الجسم في تطبيقات إنترنت الأشياء.

الخاتمة

تمثل أنظمة الطاقة من حرارة الجسم تقنية واعدة لتسخير الطاقة الحرارية التي ينتجها جسم الإنسان وتحويلها إلى كهرباء قابلة للاستخدام. على الرغم من استمرار وجود تحديات كبيرة، فإن جهود البحث والتطوير المستمرة تمهد الطريق لاعتماد أوسع لهذه التكنولوجيا في تطبيقات مختلفة. مع استمرار تحسن المواد الكهروحرارية وتقنيات الأجهزة، فإن طاقة حرارة الجسم لديها القدرة على لعب دور مهم في مستقبل الطاقة المستدامة والإلكترونيات القابلة للارتداء، مع آثار عالمية على كيفية تشغيل أجهزتنا ومراقبة صحتنا.