חקרו את הפוטנציאל של מערכות כוח מחום גוף לייצור אנרגיה בת קיימא. למדו על הטכנולוגיה, יישומים, אתגרים ותחזיות עתידיות בקנה מידה עולמי.
ניצול אנרגיה אנושית: סקירה גלובלית של מערכות כוח מחום גוף
\n\nבעולם המתמקד יותר ויותר במקורות אנרגיה בני קיימא ומתחדשים, טכנולוגיות חדשניות צצות כדי לנצל משאבים לא קונבנציונליים. תחום אחד כזה צובר תאוצה הוא כוח מחום גוף, הידוע גם כקצירת אנרגיה אנושית. תחום זה בוחן את הפוטנציאל להמיר את האנרגיה התרמית הנפלטת באופן קבוע מגוף האדם לכוח חשמלי שמיש. מאמר זה מספק סקירה מקיפה של מערכות כוח מחום גוף, בוחן את הטכנולוגיה הבסיסית, יישומים נוכחיים, אתגרים ותחזיות עתידיות מנקודת מבט גלובלית.
\n\nמהו כוח חום גוף?
\n\nכוח חום גוף מתייחס לתהליך של לכידת והמרת האנרגיה התרמית המיוצרת על ידי גוף האדם לחשמל. גוף אנושי ממוצע מייצר כמות משמעותית של חום, כ-100 וואט במנוחה, בעיקר באמצעות תהליכים מטבוליים. חום זה מתפזר ברציפות לסביבה, ומהווה מקור אנרגיה זמין, אם כי בדרגה נמוכה.
\n\nהטכנולוגיה הנפוצה ביותר המשמשת לייצור כוח חום גוף היא הגנרטור התרמו-אלקטרי (TEG). TEG-ים הם התקני מצב מוצק הממירים חום ישירות לחשמל על בסיס אפקט סיבק. אפקט זה קובע כי כאשר קיים הפרש טמפרטורה בין שני מוליכים חשמליים או מוליכים למחצה שונים, נוצר ביניהם הפרש מתח. על ידי הצבת TEG במגע עם גוף האדם וחשיפת הצד השני לסביבה קרה יותר, נוצר מפל טמפרטורה, המייצר חשמל.
\n\nאיך עובדים גנרטורים תרמו-אלקטריים
\n\nTEG-ים מורכבים מאינספור צמדים תרמיים קטנים המחוברים חשמלית בטור ותרמית במקביל. כל צמד תרמי מורכב משני חומרים מוליכים למחצה שונים, בדרך כלל סגסוגות ביסמוט טלוריד (Bi2Te3). חומרים אלו נבחרים בשל מקדם סיבק גבוה ומוליכות חשמלית טובה, כמו גם מוליכות תרמית נמוכה, כדי למקסם את יעילות ההתקן.
\n\nכאשר צד אחד של ה-TEG מחומם (לדוגמה, במגע עם גוף האדם) והצד השני מקורר (לדוגמה, בחשיפה לאוויר הסביבה), אלקטרונים וחורים (נושאי המטען במוליכים למחצה) נודדים מהצד החם לצד הקר. תנועה זו של נושאי מטען יוצרת הפרש מתח על פני כל צמד תרמי. חיבור הטור של מספר צמדים תרמיים מגביר מתח זה, ומביא לתפוקה חשמלית שמישה.
\n\nיעילותו של TEG נקבעת על ידי הפרש הטמפרטורה על פני ההתקן ותכונות החומר של המוליכים למחצה. מקדם האיכות (ZT) הוא פרמטר חסר ממדים המאפיין את ביצועי חומר תרמו-אלקטרי. ערך ZT גבוה יותר מצביע על ביצועים תרמו-אלקטריים טובים יותר. בעוד שהושגה התקדמות משמעותית במחקר חומרים תרמו-אלקטריים, יעילות ה-TEG-ים נשארת נמוכה יחסית, בדרך כלל בטווח של 5-10%.
\n\nיישומים של מערכות כוח חום גוף
\n\nלמערכות כוח חום גוף יש מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים, במיוחד באלקטרוניקה לבישה, מכשירים רפואיים וחישה מרחוק. הנה כמה תחומים מרכזיים שבהם טכנולוגיה זו נבחנת:
\n\nאלקטרוניקה לבישה
\n\nאחד היישומים המבטיחים ביותר של כוח חום גוף הוא בהפעלת אלקטרוניקה לבישה. התקנים כמו שעונים חכמים, מכשירי מעקב כושר וחיישנים דורשים אספקת חשמל רציפה, ולעתים קרובות מסתמכים על סוללות שיש לטעון או להחליף באופן קבוע. TEG-ים המופעלים בחום גוף יכולים לספק מקור כוח רציף ובר קיימא להתקנים אלו, ובכך לבטל את הצורך בסוללות או בטעינה תכופה.
\n\nדוגמאות:\n\n
- \n
- שעונים חכמים: חוקרים מפתחים שעונים חכמים משולבי TEG שיכולים לקצור אנרגיה מחום גוף כדי להפעיל את המכשיר, להאריך את חיי הסוללה שלו או אפילו לבטל לחלוטין את הצורך בסוללה. \n
- מכשירי מעקב כושר: מכשירי מעקב כושר המופעלים בחום גוף יכולים לנטר ברציפות סימנים חיוניים כגון דופק, טמפרטורת גוף ורמות פעילות ללא צורך בטעינה תכופה. \n
- בגדים חכמים: TEG-ים יכולים להשתלב בבגדים כדי להפעיל חיישנים ורכיבים אלקטרוניים אחרים, ולאפשר ניטור בריאות רציף ומשוב מותאם אישית. חברות כמו Q-Symphony בוחנות אינטגרציות אלו. \n
מכשירים רפואיים
\n\nכוח חום גוף יכול לשמש גם להפעלת מכשירים רפואיים, ובמיוחד מכשירים הניתנים להשתלה כמו קוצבי לב ומדדי גלוקוז. החלפת סוללות במכשירים מושתלים דורשת ניתוח, המהווה סיכונים למטופל. TEG-ים המופעלים בחום גוף יכולים לספק מקור כוח ארוך טווח ואמין להתקנים אלה, ובכך להפחית את הצורך בהחלפות סוללה ולשפר את תוצאות הטיפול בחולים.
\n\nדוגמאות:\n\n
- \n
- קוצבי לב: חוקרים עובדים על פיתוח קוצבי לב עצמאיים המקצורת אנרגיה מחום גוף כדי לווסת את קצב הלב. \n
- מדדי גלוקוז: מדדי גלוקוז המופעלים בחום גוף יכולים לעקוב ברציפות אחר רמות הסוכר בדם ללא צורך במקורות כוח חיצוניים. \n
- מערכות למתן תרופות: TEG-ים יכולים להפעיל מיקרו-משאבות ורכיבים אחרים של מערכות למתן תרופות מושתלות, ובכך לאפשר שחרור תרופות מדויק ומבוקר. \n
חישה מרחוק
\n\nכוח חום גוף יכול לשמש להפעלת חיישנים מרוחקים ביישומים שונים, כגון ניטור סביבתי, ניטור תעשייתי ומערכות אבטחה. חיישנים אלו פועלים לעיתים קרובות במקומות מרוחקים או קשים לגישה שבהם החלפת סוללות אינה מעשית. TEG-ים המופעלים בחום גוף יכולים לספק מקור כוח אמין ובר קיימא לחיישנים אלו, ובכך לאפשר איסוף וניטור נתונים רציף.
\n\nדוגמאות:\n\n
- \n
- ניטור סביבתי: חיישנים המופעלים בחום גוף יכולים להיפרס באזורים מרוחקים כדי לנטר טמפרטורה, לחות ופרמטרים סביבתיים אחרים. \n
- ניטור תעשייתי: TEG-ים יכולים להפעיל חיישנים המנטרים את מצב המכונות והציוד בסביבות תעשייתיות, ובכך לאפשר תחזוקה חזויה ומניעת כשלים בציוד. \n
- מערכות אבטחה: חיישנים המופעלים בחום גוף יכולים לשמש במערכות אבטחה כדי לזהות פולשים ולנטר פעילות באזורים מוגבלים. \n
יישומים אחרים
\n\nמעבר ליישומים שהוזכרו לעיל, מערכות כוח חום גוף נבחנות גם עבור:
\n\n- \n
- התקני אינטרנט של הדברים (IoT): הפעלת התקני IoT קטנים ובעלי צריכת חשמל נמוכה, הנפוצים יותר ויותר בתעשיות ויישומים שונים. \n
- כוח חירום: מתן גיבוי חשמלי במצבי חירום, כגון אסונות טבע או הפסקות חשמל. \n
- יישומים צבאיים: הפעלת אלקטרוניקה וחיישנים לבישים של חיילים לצורך תקשורת, ניווט ומודעות מצב. \n
אתגרים ומגבלות
\n\nלמרות היתרונות הפוטנציאליים של כוח חום גוף, יש להתמודד עם מספר אתגרים ומגבלות לפני שניתן יהיה לאמץ טכנולוגיה זו באופן נרחב:
\n\nיעילות נמוכה
\n\nיעילותם של TEG-ים נמוכה יחסית, בדרך כלל בטווח של 5-10%. משמעות הדבר היא שרק חלק קטן מאנרגיית החום מומר לחשמל. שיפור יעילותם של TEG-ים חיוני להגדלת תפוקת הכוח ולהפיכת מערכות כוח חום גוף למעשיות יותר.
\n\nהפרש טמפרטורה
\n\nכמות הכוח המיוצרת על ידי TEG פרופורציונלית להפרש הטמפרטורה בין הצד החם לצד הקר. שמירה על הפרש טמפרטורה משמעותי יכולה להיות מאתגרת, במיוחד בסביבות עם טמפרטורות סביבה גבוהות או כאשר ההתקן מכוסה בבגדים. ניהול חום ובידוד יעילים חיוניים למקסום הפרש הטמפרטורה ותפוקת הכוח.
\n\nעלויות חומרים
\n\nהחומרים המשמשים ב-TEG-ים, כגון סגסוגות ביסמוט טלוריד, יכולים להיות יקרים. הפחתת עלות חומרים אלו חשובה להפיכת מערכות כוח חום גוף לזולות ונגישות יותר. המחקר מתמקד בפיתוח חומרים תרמו-אלקטריים חדשים שהם נפוצים וזולים יותר.
\n\nגודל ומשקל המכשיר
\n\nTEG-ים יכולים להיות יחסית מגושמים וכבדים, מה שיכול להוות מגבלה עבור יישומים לבישים. מזעור TEG-ים והפחתת משקלם חשובים כדי להפוך אותם לנוחים ומעשיים יותר לשימוש יומיומי. טכניקות מיקרו-ייצור חדשניות מפותחות ליצירת TEG-ים קטנים וקלים יותר.
\n\nהתנגדות מגע
\n\nהתנגדות המגע בין ה-TEG לגוף האדם יכולה להפחית את יעילות העברת החום. הבטחת מגע תרמי טוב בין ההתקן לעור חיונית למקסום תפוקת הכוח. ניתן להשיג זאת באמצעות שימוש בחומרי ממשק תרמי ותכנון אופטימלי של ההתקן.
\n\nעמידות ואמינות
\n\nTEG-ים צריכים להיות עמידים ואמינים כדי לעמוד בקשיי שימוש יומיומי. הם צריכים להיות מסוגלים לסבול עומס מכני, תנודות טמפרטורה, וחשיפה ללחות וזיעה. אריזה וכיסוי נאותים חיוניים להגנה על ה-TEG ולהבטחת ביצועיו לטווח ארוך.
\n\nמאמצי מחקר ופיתוח גלובליים
\n\nמאמצי מחקר ופיתוח משמעותיים מתבצעים ברחבי העולם כדי להתגבר על האתגרים והמגבלות של מערכות כוח חום גוף ולמצות את מלוא הפוטנציאל שלהן. מאמצים אלו מתמקדים ב:
\n\nשיפור חומרים תרמו-אלקטריים
\n\nחוקרים בוחנים חומרים תרמו-אלקטריים חדשים בעלי ערכי ZT גבוהים יותר. זה כולל פיתוח סגסוגות חדשניות, ננו-מבנים וחומרים מורכבים. לדוגמה, מדענים באוניברסיטת נורת'ווסטרן בארצות הברית פיתחו חומר תרמו-אלקטרי גמיש שניתן לשלב בבגדים. באירופה, האגודה התרמו-אלקטרית האירופית (ETS) מתאמת מאמצי מחקר על פני מדינות מרובות.
\n\nאופטימיזציה של תכנון המכשיר
\n\nחוקרים מבצעים אופטימיזציה בתכנון של TEG-ים כדי למקסם את העברת החום ולמזער הפסדי חום. זה כולל שימוש במערכות קירור מתקדמות (גופי קירור), מערכות קירור מיקרו-פלואידיות, וארכיטקטורות התקנים חדשניות. חוקרים באוניברסיטת טוקיו שביפן פיתחו מיקרו-TEG שניתן לשלב בחיישנים לבישים. יתרה מכך, צוותי מחקר שונים בדרום קוריאה עובדים על עיצובי TEG גמישים עבור יישומים לבישים.
\n\nפיתוח יישומים חדשים
\n\nחוקרים בוחנים יישומים חדשים למערכות כוח חום גוף בתחומים שונים, כגון שירותי בריאות, ניטור סביבתי ואוטומציה תעשייתית. זה כולל פיתוח מכשירים רפואיים עצמאיים, חיישנים אלחוטיים והתקני IoT. דוגמאות כוללות פרויקטים הממומנים על ידי הנציבות האירופית במסגרת תוכנית Horizon 2020, המתמקדים בקצירת אנרגיה עבור מכשירים לבישים בתחום הבריאות.
\n\nהפחתת עלויות
\n\nחוקרים פועלים להפחתת עלותם של TEG-ים על ידי שימוש בחומרים נפוצים ופחות יקרים ופיתוח תהליכי ייצור יעילים יותר. זה כולל שימוש בטכניקות ייצור תוספתיות, כגון הדפסת תלת מימד, ליצירת TEG-ים בעלי גאומטריות מורכבות וביצועים אופטימליים. בסין, הממשלה משקיעה רבות במחקר חומרים תרמו-אלקטריים כדי להפחית את התלות בחומרים מיובאים.
\n\nתחזיות לעתיד
\n\nעתידן של מערכות כוח חום גוף נראה מבטיח, עם פוטנציאל משמעותי לצמיחה וחדשנות. ככל שחומרים תרמו-אלקטריים וטכנולוגיות התקנים ימשיכו להשתפר, כוח חום גוף צפוי למלא תפקיד חשוב יותר ויותר בהפעלת אלקטרוניקה לבישה, מכשירים רפואיים ויישומים אחרים. הקטנת הגודל והעלות של האלקטרוניקה בשילוב עם הדרישה הגוברת להתקנים עצמאיים תדחוף עוד יותר את אימוץ מערכות כוח חום גוף.
\n\nמגמות מרכזיות שכדאי לעקוב אחריהן:\n\n
- \n
- חומרים תרמו-אלקטריים מתקדמים: פיתוח מתמשך של חומרים תרמו-אלקטריים בעלי ביצועים גבוהים עם ערכי ZT משופרים ועלויות מופחתות. \n
- TEG-ים גמישים ונמתחים: פיתוח TEG-ים שיכולים להתאים לצורת גוף האדם ולעמוד בפני עומס מכני. \n
- שילוב עם התקנים לבישים: שילוב חלק של TEG-ים בבגדים, אביזרים והתקנים לבישים אחרים. \n
- מכשירים רפואיים עצמאיים: פיתוח מכשירים רפואיים הניתנים להשתלה ולבישים המופעלים בחום גוף, המפחיתים את הצורך בהחלפת סוללות. \n
- יישומי IoT: פריסה רחבה של חיישנים והתקנים המופעלים בחום גוף ביישומי IoT. \n
סיכום
\n\nמערכות כוח חום גוף מייצגות טכנולוגיה מבטיחה לניצול האנרגיה התרמית המיוצרת על ידי גוף האדם והמרתה לחשמל שמיש. בעוד שאתגרים משמעותיים נותרו, מאמצי מחקר ופיתוח מתמשכים סוללים את הדרך לאימוץ נרחב יותר של טכנולוגיה זו ביישומים שונים. ככל שחומרים תרמו-אלקטריים וטכנולוגיות התקנים ימשיכו להשתפר, לכוח חום גוף יש פוטנציאל למלא תפקיד משמעותי בעתיד האנרגיה בת הקיימא והאלקטרוניקה הלבישה, עם השלכות גלובליות על האופן שבו אנו מפעילים את המכשירים שלנו ומנטרים את בריאותנו.