Ihmisenergian hyödyntäminen: Maailmanlaajuinen katsaus kehonlämpöä hyödyntäviin sähköjärjestelmiin

Maailmassa, joka keskittyy yhä enemmän kestäviin ja uusiutuviin energialähteisiin, nousee esiin innovatiivisia teknologioita, jotka hyödyntävät epätavallisia resursseja. Yksi tällainen alati suosiotaan kasvattava ala on kehonlämpöenergia, joka tunnetaan myös nimellä ihmisenergian talteenotto. Tämä ala tutkii mahdollisuuksia muuntaa ihmiskehon jatkuvasti tuottamaa lämpöenergiaa käyttökelpoiseksi sähkövoimaksi. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan yleiskatsauksen kehonlämpöä hyödyntävistä sähköjärjestelmistä, tarkastellen niiden taustalla olevaa teknologiaa, nykyisiä sovelluksia, haasteita ja tulevaisuudennäkymiä maailmanlaajuisesta näkökulmasta.

Mitä on kehonlämpöenergia?

Kehonlämpöenergia tarkoittaa ihmiskehon tuottaman lämpöenergian talteenottoa ja muuntamista sähköksi. Keskimääräinen ihmiskeho tuottaa merkittävän määrän lämpöä, levossa noin 100 wattia, pääasiassa aineenvaihdunnan kautta. Tämä lämpö haihtuu jatkuvasti ympäröivään ympäristöön, edustaen helposti saatavilla olevaa, vaikkakin matala-asteista, energianlähdettä.

Yleisin teknologia kehonlämpöenergian tuotannossa on termoelektrinen generaattori (TEG). TEG:t ovat puolijohdekomponentteja, jotka muuntavat lämmön suoraan sähköksi Seebeck-ilmiön perusteella. Tämä ilmiö toteaa, että kun kahden erilaisen sähköjohteen tai puolijohteen välillä on lämpötilaero, niiden väliin syntyy jännite-ero. Asettamalla TEG kosketuksiin ihmiskehon kanssa ja altistamalla toinen puoli viileämmälle ympäristölle, syntyy lämpötilagradientti, joka tuottaa sähköä.

Miten termoelektriset generaattorit toimivat

TEG:t koostuvat lukuisista pienistä termopareista, jotka on kytketty sähköisesti sarjaan ja termisesti rinnan. Jokainen termopari koostuu kahdesta erilaisesta puolijohdemateriaalista, tyypillisesti vismuttitelluridin (Bi₂Te₃) seoksista. Nämä materiaalit on valittu niiden korkean Seebeck-kertoimen ja sähkönjohtavuuden sekä matalan lämmönjohtavuuden vuoksi, jotta laitteen hyötysuhde voidaan maksimoida.

Kun TEG:n toinen puoli lämpenee (esim. kosketuksesta ihmiskehoon) ja toinen puoli jäähtyy (esim. altistumisesta ympäröivälle ilmalle), elektronit ja aukot (puolijohteiden varauksenkuljettajat) siirtyvät kuumalta puolelta kylmälle puolelle. Tämä varauksenkuljettajien liike luo jännite-eron jokaisen termoparin yli. Useiden termoparien sarjakytkentä vahvistaa tätä jännitettä, mikä johtaa käyttökelpoiseen sähköiseen ulostuloon.

TEG:n hyötysuhde määräytyy laitteen lämpötilaeron ja puolijohteiden materiaaliominaisuuksien perusteella. Hyvyysluku (ZT) on dimensiokseton parametri, joka kuvaa termoelektrisen materiaalin suorituskykyä. Korkeampi ZT-arvo osoittaa parempaa termoelektristä suorituskykyä. Vaikka termoelektristen materiaalien tutkimuksessa on edistytty merkittävästi, TEG:ien hyötysuhde on edelleen suhteellisen alhainen, tyypillisesti 5–10 %.

Kehonlämpöä hyödyntävien sähköjärjestelmien sovellukset

Kehonlämpöä hyödyntävillä sähköjärjestelmillä on laaja valikoima potentiaalisia sovelluksia, erityisesti puettavassa elektroniikassa, lääkinnällisissä laitteissa ja etämittauksessa. Tässä on joitakin avainalueita, joilla tätä teknologiaa tutkitaan:

Puettava elektroniikka

Yksi lupaavimmista kehonlämpöenergian sovelluksista on puettavan elektroniikan virransyöttö. Laitteet, kuten älykellot, aktiivisuusrannekkeet ja anturit, vaativat jatkuvaa virtaa ja tukeutuvat usein akkuihin, jotka on ladattava tai vaihdettava säännöllisesti. Kehonlämmöllä toimivat TEG:t voivat tarjota jatkuvan ja kestävän virtalähteen näille laitteille, poistaen akkujen tai usein tapahtuvan latauksen tarpeen.

Esimerkkejä:

• Älykellot: Tutkijat kehittävät TEG-integroituja älykelloja, jotka voivat kerätä energiaa kehonlämmöstä laitteen virransyöttöön, pidentäen sen akun kestoa tai jopa poistaen akun tarpeen kokonaan.
• Aktiivisuusrannekkeet: Kehonlämmöllä toimivat aktiivisuusrannekkeet voivat jatkuvasti seurata elintoimintoja, kuten sykettä, kehon lämpötilaa ja aktiivisuustasoja, ilman säännöllistä latausta.
• Älyvaatteet: TEG:t voidaan integroida vaatteisiin antureiden ja muiden elektronisten komponenttien virransyöttöä varten, mahdollistaen jatkuvan terveyden seurannan ja henkilökohtaisen palautteen. Yritykset, kuten Q-Symphony, tutkivat näitä integraatioita.

Lääkinnälliset laitteet

Kehonlämpöenergiaa voidaan käyttää myös lääkinnällisten laitteiden, erityisesti implantoitavien laitteiden, kuten sydämentahdistimien ja glukoosimittareiden, virransyöttöön. Akkujen vaihtaminen implantoitavissa laitteissa vaatii leikkauksen, mikä aiheuttaa riskejä potilaalle. Kehonlämmöllä toimivat TEG:t voivat tarjota pitkäikäisen ja luotettavan virtalähteen näille laitteille, vähentäen paristonvaihtojen tarvetta ja parantaen potilaiden hoitotuloksia.

Esimerkkejä:

• Sydämentahdistimet: Tutkijat työskentelevät kehittääkseen itsevoimaisia sydämentahdistimia, jotka keräävät energiaa kehonlämmöstä sydämen rytmin säätelyyn.
• Verensokerimittarit: Kehonlämmöllä toimivat glukoosimittarit voivat jatkuvasti seurata verensokeritasoja ilman ulkoisia virtalähteitä.
• Lääkeannostelujärjestelmät: TEG:t voivat syöttää virtaa mikropumpuille ja muille implantoitavien lääkeannostelujärjestelmien komponenteille, mahdollistaen tarkan ja kontrolloidun lääkkeen vapautumisen.

Etämittaus

Kehonlämpöenergiaa voidaan käyttää etäantureiden virransyöttöön erilaisissa sovelluksissa, kuten ympäristön seurannassa, teollisuuden valvonnassa ja turvajärjestelmissä. Nämä anturit toimivat usein syrjäisissä tai vaikeapääsyisissä paikoissa, joissa paristonvaihdot ovat epäkäytännöllisiä. Kehonlämmöllä toimivat TEG:t voivat tarjota luotettavan ja kestävän virtalähteen näille antureille, mahdollistaen jatkuvan tiedonkeruun ja seurannan.

Esimerkkejä:

• Ympäristön seuranta: Kehonlämmöllä toimivia antureita voidaan sijoittaa syrjäisille alueille lämpötilan, kosteuden ja muiden ympäristöparametrien seurantaan.
• Teollisuuden valvonta: TEG:t voivat syöttää virtaa antureille, jotka valvovat koneiden ja laitteiden kuntoa teollisuusympäristöissä, mahdollistaen ennakoivan kunnossapidon ja estäen laiteviat.
• Turvajärjestelmät: Kehonlämmöllä toimivia antureita voidaan käyttää turvajärjestelmissä tunkeilijoiden havaitsemiseen ja toiminnan valvontaan rajoitetuilla alueilla.

Muita sovelluksia

Edellä mainittujen sovellusten lisäksi kehonlämpöä hyödyntäviä sähköjärjestelmiä tutkitaan myös seuraaviin tarkoituksiin:

• Esineiden internetin (IoT) laitteet: Pienten, vähän virtaa kuluttavien IoT-laitteiden virransyöttö, jotka ovat yhä yleisempiä eri teollisuudenaloilla ja sovelluksissa.
• Varavirta: Varavirran tarjoaminen hätätilanteissa, kuten luonnonkatastrofeissa tai sähkökatkoissa.
• Sotilaalliset sovellukset: Sotilaan päällä pidettävän elektroniikan ja antureiden virransyöttö viestintää, navigointia ja tilannetietoisuutta varten.

Haasteet ja rajoitukset

Huolimatta kehonlämpöenergian potentiaalisista eduista, on useita haasteita ja rajoituksia, jotka on ratkaistava ennen kuin tämä teknologia voidaan ottaa laajalti käyttöön:

Matala hyötysuhde

TEG:ien hyötysuhde on suhteellisen alhainen, tyypillisesti 5–10 %. Tämä tarkoittaa, että vain pieni osa lämpöenergiasta muunnetaan sähköksi. TEG:ien hyötysuhteen parantaminen on ratkaisevan tärkeää tehon lisäämiseksi ja kehonlämpöä hyödyntävien sähköjärjestelmien käytännöllisyyden parantamiseksi.

Lämpötilaero

TEG:n tuottaman tehon määrä on verrannollinen kuuman ja kylmän puolen väliseen lämpötilaeroon. Merkittävän lämpötilaeron ylläpitäminen voi olla haastavaa, erityisesti ympäristöissä, joissa on korkea ympäristön lämpötila tai kun laite on vaatteiden peitossa. Tehokas lämmönhallinta ja eristys ovat välttämättömiä lämpötilaeron ja tehon maksimoimiseksi.

Materiaalikustannukset

TEG:issä käytetyt materiaalit, kuten vismuttitelluridin seokset, voivat olla kalliita. Näiden materiaalien kustannusten alentaminen on tärkeää, jotta kehonlämpöä hyödyntävistä sähköjärjestelmistä tulisi edullisempia ja helpommin saatavilla olevia. Tutkimus keskittyy uusien, runsaammin esiintyvien ja halvempien termoelektristen materiaalien kehittämiseen.

Laitteen koko ja paino

TEG:t voivat olla suhteellisen tilaa vieviä ja raskaita, mikä voi olla rajoitus puettavissa sovelluksissa. TEG:ien pienentäminen ja niiden painon vähentäminen on tärkeää, jotta ne olisivat mukavampia ja käytännöllisempiä jokapäiväisessä käytössä. Uusia mikrovalmistustekniikoita kehitetään pienempien ja kevyempien TEG:ien luomiseksi.

Kontaktiresistanssi

TEG:n ja ihmiskehon välinen kontaktiresistanssi voi vähentää lämmönsiirron tehokkuutta. Hyvän termisen kontaktin varmistaminen laitteen ja ihon välillä on ratkaisevan tärkeää tehon maksimoimiseksi. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä lämpöä johtavia rajapintamateriaaleja ja optimoitua laitesuunnittelua.

Kestävyys ja luotettavuus

TEG:ien on oltava kestäviä ja luotettavia kestääkseen päivittäisen käytön rasitukset. Niiden tulisi sietää mekaanista rasitusta, lämpötilan vaihteluita sekä altistumista kosteudelle ja hielle. Asianmukainen kapselointi ja pakkaus ovat välttämättömiä TEG:n suojaamiseksi ja sen pitkäaikaisen suorituskyvyn varmistamiseksi.

Maailmanlaajuiset tutkimus- ja kehitystoimet

Maailmanlaajuisesti on käynnissä merkittäviä tutkimus- ja kehitystoimia kehonlämpöä hyödyntävien sähköjärjestelmien haasteiden ja rajoitusten voittamiseksi ja niiden täyden potentiaalin hyödyntämiseksi. Nämä toimet keskittyvät seuraaviin osa-alueisiin:

Termoelektristen materiaalien parantaminen

Tutkijat tutkivat uusia termoelektrisiä materiaaleja, joilla on korkeampi ZT-arvo. Tähän sisältyy uusien seosten, nanorakenteiden ja komposiittimateriaalien kehittäminen. Esimerkiksi Yhdysvalloissa Northwestern-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet joustavan termoelektrisen materiaalin, joka voidaan integroida vaatteisiin. Euroopassa European Thermoelectric Society (ETS) koordinoi tutkimustoimintaa useissa maissa.

Laitesuunnittelun optimointi

Tutkijat optimoivat TEG:ien suunnittelua maksimoidakseen lämmönsiirron ja minimoidakseen lämpöhäviöt. Tähän sisältyy edistyneiden jäähdytyslevyjen, mikrofluidisten jäähdytysjärjestelmien ja uusien laitearkkitehtuurien käyttö. Japanissa Tokion yliopiston tutkijat ovat kehittäneet mikro-TEG:n, joka voidaan integroida puettaviin antureihin. Lisäksi useat tutkimusryhmät Etelä-Koreassa työskentelevät joustavien TEG-mallien parissa puettavia sovelluksia varten.

Uusien sovellusten kehittäminen

Tutkijat tutkivat uusia sovelluksia kehonlämpöä hyödyntäville sähköjärjestelmille eri aloilla, kuten terveydenhuollossa, ympäristön seurannassa ja teollisuusautomaatiossa. Tähän sisältyy itsevoimaisten lääkinnällisten laitteiden, langattomien antureiden ja IoT-laitteiden kehittäminen. Esimerkkeinä ovat Euroopan komission rahoittamat hankkeet Horisontti 2020 -ohjelman puitteissa, jotka keskittyvät energiankeruuseen terveydenhuollon puettavissa laitteissa.

Kustannusten alentaminen

Tutkijat työskentelevät alentaakseen TEG:ien kustannuksia käyttämällä runsaammin esiintyviä ja halvempia materiaaleja sekä kehittämällä tehokkaampia valmistusprosesseja. Tähän sisältyy additiivisten valmistustekniikoiden, kuten 3D-tulostuksen, käyttö TEG:ien luomiseksi monimutkaisilla geometrioilla ja optimoidulla suorituskyvyllä. Kiinassa hallitus investoi voimakkaasti termoelektristen materiaalien tutkimukseen vähentääkseen riippuvuutta tuontimateriaaleista.

Tulevaisuudennäkymät

Kehonlämpöä hyödyntävien sähköjärjestelmien tulevaisuus näyttää lupaavalta, ja niillä on merkittävä potentiaali kasvuun ja innovaatioihin. Termoelektristen materiaalien ja laiteteknologioiden jatkuvasti parantuessa kehonlämpöenergian odotetaan näyttelevän yhä tärkeämpää roolia puettavan elektroniikan, lääkinnällisten laitteiden ja muiden sovellusten virransyötössä. Elektroniikan pienenevä koko ja hinta yhdistettynä itsevoimaisten laitteiden kasvavaan kysyntään edistävät entisestään kehonlämpöä hyödyntävien sähköjärjestelmien käyttöönottoa.

Tärkeimmät seurattavat trendit:

Edistyneet termoelektriset materiaalit: Korkean suorituskyvyn termoelektristen materiaalien jatkuva kehitys, joilla on paremmat ZT-arvot ja alhaisemmat kustannukset.

Joustavat ja venyvät TEG:t: Sellaisten TEG:ien kehittäminen, jotka voivat mukautua ihmiskehon muotoon ja kestää mekaanista rasitusta.

Integrointi puettaviin laitteisiin: TEG:ien saumaton integrointi vaatteisiin, asusteisiin ja muihin puettaviin laitteisiin.

Itsevoimaiset lääkinnälliset laitteet: Implantoitavien ja puettavien lääkinnällisten laitteiden kehittäminen, jotka saavat virtansa kehonlämmöstä, vähentäen paristonvaihtojen tarvetta.

IoT-sovellukset: Kehonlämmöllä toimivien antureiden ja laitteiden laaja käyttöönotto IoT-sovelluksissa.

Yhteenveto

Kehonlämpöä hyödyntävät sähköjärjestelmät edustavat lupaavaa teknologiaa ihmiskehon tuottaman lämpöenergian hyödyntämiseksi ja muuntamiseksi käyttökelpoiseksi sähköksi. Vaikka merkittäviä haasteita on edelleen olemassa, jatkuva tutkimus- ja kehitystyö tasoittaa tietä tämän teknologian laajemmalle käyttöönotolle eri sovelluksissa. Termoelektristen materiaalien ja laiteteknologioiden jatkuvasti parantuessa kehonlämpöenergialla on potentiaalia näytellä merkittävää roolia kestävän energian ja puettavan elektroniikan tulevaisuudessa, millä on maailmanlaajuisia vaikutuksia siihen, miten syötämme virtaa laitteisiimme ja seuraamme terveyttämme.