Utnyttelse av menneskelig energi: En global oversikt over kraftsystemer basert på kroppsvarme

I en verden som i økende grad fokuserer på bærekraftige og fornybare energikilder, dukker det opp innovative teknologier for å utnytte ukonvensjonelle ressurser. Et slikt område som vinner terreng, er kroppsvarme kraft, også kjent som menneskelig energihøsting. Dette feltet utforsker potensialet for å konvertere den termiske energien som kontinuerlig slippes ut av menneskekroppen til brukbar elektrisk kraft. Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over kraftsystemer basert på kroppsvarme, og undersøker den underliggende teknologien, nåværende applikasjoner, utfordringer og fremtidsutsikter fra et globalt perspektiv.

Hva er kroppsvarme kraft?

Kroppsvarme kraft refererer til prosessen med å fange opp og konvertere den termiske energien som produseres av menneskekroppen til elektrisitet. Gjennomsnittlig menneskekropp genererer en betydelig mengde varme, omtrent 100 watt i hvile, primært gjennom metabolske prosesser. Denne varmen spres kontinuerlig ut i omgivelsene, og representerer en lett tilgjengelig, om enn lavgradig, energikilde.

Den vanligste teknologien som brukes for kroppsvarme kraftproduksjon er den termoelektriske generatoren (TEG). TEGer er solid-state-enheter som konverterer varme direkte til elektrisitet basert på Seebeck-effekten. Denne effekten sier at når det eksisterer en temperaturforskjell mellom to forskjellige elektriske ledere eller halvledere, opprettes en spenningsforskjell mellom dem. Ved å plassere en TEG i kontakt med menneskekroppen og eksponere den andre siden for et kjøligere miljø, etableres en temperaturgradient, som genererer elektrisitet.

Hvordan termoelektriske generatorer fungerer

TEGer består av en rekke små termoelementer koblet elektrisk i serie og termisk parallelt. Hvert termoelement er sammensatt av to forskjellige halvledermaterialer, typisk vismuttellurid (Bi₂Te₃)-legeringer. Disse materialene er valgt for sin høye Seebeck-koeffisient og elektriske ledningsevne, samt lav termisk ledningsevne, for å maksimere effektiviteten til enheten.

Når den ene siden av TEGen varmes opp (f.eks. ved kontakt med menneskekroppen) og den andre siden kjøles ned (f.eks. ved eksponering for omgivelsesluft), migrerer elektroner og hull (ladningsbærerne i halvledere) fra den varme siden til den kalde siden. Denne bevegelsen av ladningsbærere skaper en spenningsforskjell over hvert termoelement. Seriekoblingen av flere termoelementer forsterker denne spenningen, noe som resulterer i en brukbar elektrisk utgang.

Effektiviteten til en TEG bestemmes av temperaturforskjellen over enheten og materialegenskapene til halvlederne. Den karakteristiske faktoren (ZT) er en dimensjonsløs parameter som karakteriserer ytelsen til et termoelektrisk materiale. En høyere ZT-verdi indikerer bedre termoelektrisk ytelse. Selv om det er gjort betydelig fremgang innen termoelektrisk materialforskning, er effektiviteten til TEGer fortsatt relativt lav, typisk i området 5-10 %.

Applikasjoner av kraftsystemer basert på kroppsvarme

Kraftsystemer basert på kroppsvarme har et bredt spekter av potensielle applikasjoner, spesielt innen bærbar elektronikk, medisinsk utstyr og fjernmåling. Her er noen viktige områder der denne teknologien utforskes:

Bærbar elektronikk

En av de mest lovende applikasjonene for kroppsvarme kraft er å drive bærbar elektronikk. Enheter som smartklokker, treningssporere og sensorer krever kontinuerlig strøm, og er ofte avhengige av batterier som må lades opp eller byttes ut regelmessig. Kroppsvarme-drevne TEGer kan gi en kontinuerlig og bærekraftig strømkilde for disse enhetene, og eliminere behovet for batterier eller hyppig lading.

Eksempler:

• Smartklokker: Forskere utvikler TEG-integrerte smartklokker som kan høste energi fra kroppsvarme for å drive enheten, forlenge batterilevetiden eller til og med eliminere behovet for et batteri helt.
• Treningssporere: Kroppsvarme-drevne treningssporere kan kontinuerlig overvåke vitale tegn som hjertefrekvens, kroppstemperatur og aktivitetsnivåer uten å kreve hyppig lading.
• Smartbekledning: TEGer kan integreres i klær for å drive sensorer og andre elektroniske komponenter, noe som muliggjør kontinuerlig helseovervåking og personlig tilbakemelding. Selskaper som Q-Symphony utforsker disse integrasjonene.

Medisinsk utstyr

Kroppsvarme kraft kan også brukes til å drive medisinsk utstyr, spesielt implanterbare enheter som pacemakere og glukosemonitorer. Utskifting av batterier i implanterbare enheter krever kirurgi, noe som utgjør risiko for pasienten. Kroppsvarme-drevne TEGer kan gi en langvarig og pålitelig strømkilde for disse enhetene, redusere behovet for batteriskift og forbedre pasientresultatene.

Eksempler:

• Pacemakere: Forskere jobber med å utvikle selvforsynte pacemakere som høster energi fra kroppsvarme for å regulere hjerterytmen.
• Glukosemonitorer: Kroppsvarme-drevne glukosemonitorer kan kontinuerlig spore blodsukkernivåer uten å kreve eksterne strømkilder.
• Legemiddelleveringssystemer: TEGer kan drive mikropumper og andre komponenter i implanterbare legemiddelleveringssystemer, noe som muliggjør presis og kontrollert legemiddelfrigjøring.

Fjernmåling

Kroppsvarme kraft kan brukes til å drive fjernsensorer i ulike applikasjoner, som miljøovervåking, industriell overvåking og sikkerhetssystemer. Disse sensorene opererer ofte på fjerntliggende eller vanskelig tilgjengelige steder der batteriskift er upraktisk. Kroppsvarme-drevne TEGer kan gi en pålitelig og bærekraftig strømkilde for disse sensorene, noe som muliggjør kontinuerlig datainnsamling og overvåking.

Eksempler:

• Miljøovervåking: Kroppsvarme-drevne sensorer kan distribueres i avsidesliggende områder for å overvåke temperatur, fuktighet og andre miljøparametere.
• Industriell overvåking: TEGer kan drive sensorer som overvåker tilstanden til maskiner og utstyr i industrielle omgivelser, noe som muliggjør prediktivt vedlikehold og forhindrer utstyrsfeil.
• Sikkerhetssystemer: Kroppsvarme-drevne sensorer kan brukes i sikkerhetssystemer for å oppdage inntrengere og overvåke aktivitet i begrensede områder.

Andre applikasjoner

Utover de ovennevnte applikasjonene, utforskes også kraftsystemer basert på kroppsvarme for:

• Internet of Things (IoT)-enheter: Drive små, lavenergi IoT-enheter som er stadig mer utbredt i ulike bransjer og applikasjoner.
• Nødstrøm: Gi reservestrøm i nødssituasjoner, som naturkatastrofer eller strømbrudd.
• Militære applikasjoner: Drive soldatbåret elektronikk og sensorer for kommunikasjon, navigasjon og situasjonsbevissthet.

Utfordringer og begrensninger

Til tross for de potensielle fordelene med kroppsvarme kraft, må flere utfordringer og begrensninger løses før denne teknologien kan tas i bruk i stor grad:

Lav effektivitet

Effektiviteten til TEGer er relativt lav, typisk i området 5-10 %. Dette betyr at bare en liten brøkdel av varmeenergien konverteres til elektrisitet. Å forbedre effektiviteten til TEGer er avgjørende for å øke effektuttaket og gjøre kraftsystemer basert på kroppsvarme mer praktiske.

Temperaturforskjell

Mengden kraft som genereres av en TEG er proporsjonal med temperaturforskjellen mellom de varme og kalde sidene. Å opprettholde en betydelig temperaturforskjell kan være utfordrende, spesielt i miljøer med høye omgivelsestemperaturer eller når enheten er dekket av klær. Effektiv varmehåndtering og isolasjon er avgjørende for å maksimere temperaturforskjellen og effektuttaket.

Materialkostnader

Materialene som brukes i TEGer, som vismuttelluridlegeringer, kan være dyre. Å redusere kostnadene for disse materialene er viktig for å gjøre kraftsystemer basert på kroppsvarme mer rimelige og tilgjengelige. Forskning er fokusert på å utvikle nye termoelektriske materialer som er mer rikelig og mindre kostbare.

Enhetsstørrelse og vekt

TEGer kan være relativt store og tunge, noe som kan være en begrensning for bærbare applikasjoner. Å miniatyrisere TEGer og redusere vekten er viktig for å gjøre dem mer komfortable og praktiske for hverdagsbruk. Nye mikrofabrikasjonsteknikker utvikles for å lage mindre og lettere TEGer.

Kontaktmotstand

Kontaktmotstanden mellom TEGen og menneskekroppen kan redusere effektiviteten av varmeoverføringen. Å sikre god termisk kontakt mellom enheten og huden er avgjørende for å maksimere effektuttaket. Dette kan oppnås ved bruk av termiske grensesnittmaterialer og optimalisert enhetsdesign.

Holdbarhet og pålitelighet

TEGer må være holdbare og pålitelige for å tåle påkjenningene ved daglig bruk. De bør tåle mekanisk stress, temperatursvingninger og eksponering for fuktighet og svette. Riktig innkapsling og emballering er avgjørende for å beskytte TEGen og sikre dens langsiktige ytelse.

Global forskning og utviklingsarbeid

Det pågår betydelig forskning og utviklingsarbeid over hele verden for å overvinne utfordringene og begrensningene ved kraftsystemer basert på kroppsvarme og frigjøre deres fulle potensial. Denne innsatsen er fokusert på:

Forbedring av termoelektriske materialer

Forskere utforsker nye termoelektriske materialer med høyere ZT-verdier. Dette inkluderer utvikling av nye legeringer, nanostrukturer og komposittmaterialer. For eksempel har forskere ved Northwestern University i USA utviklet et fleksibelt termoelektrisk materiale som kan integreres i klær. I Europa koordinerer European Thermoelectric Society (ETS) forskningsarbeid på tvers av flere land.

Optimalisering av enhetsdesign

Forskere optimaliserer utformingen av TEGer for å maksimere varmeoverføringen og minimere termiske tap. Dette inkluderer bruk av avanserte kjøleribber, mikrofluidiske kjølesystemer og nye enhetsarkitekturer. Forskere ved University of Tokyo i Japan har utviklet en mikro-TEG som kan integreres i bærbare sensorer. Videre jobber ulike forskningsteam i Sør-Korea med fleksible TEG-design for bærbare applikasjoner.

Utvikling av nye applikasjoner

Forskere utforsker nye applikasjoner for kraftsystemer basert på kroppsvarme i ulike felt, som helsevesen, miljøovervåking og industriell automatisering. Dette inkluderer utvikling av selvforsynte medisinsk utstyr, trådløse sensorer og IoT-enheter. Eksempler inkluderer prosjekter finansiert av Europakommisjonen under Horizon 2020-programmet, med fokus på energihøsting for bærbare enheter i helsevesenet.

Reduksjon av kostnader

Forskere jobber med å redusere kostnadene for TEGer ved å bruke mer rikelig og mindre kostbare materialer og utvikle mer effektive produksjonsprosesser. Dette inkluderer bruk av additive produksjonsteknikker, som 3D-printing, for å lage TEGer med komplekse geometrier og optimalisert ytelse. I Kina investerer regjeringen tungt i forskning på termoelektriske materialer for å redusere avhengigheten av importerte materialer.

Fremtidsutsikter

Fremtiden for kraftsystemer basert på kroppsvarme ser lovende ut, med betydelig potensial for vekst og innovasjon. Etter hvert som termoelektriske materialer og enhetsteknologier fortsetter å forbedre seg, forventes kroppsvarme kraft å spille en stadig viktigere rolle i å drive bærbar elektronikk, medisinsk utstyr og andre applikasjoner. Den reduserte størrelsen og kostnadene for elektronikk kombinert med den økende etterspørselen etter selvforsynte enheter vil ytterligere drive bruken av kraftsystemer basert på kroppsvarme.

Viktige trender å følge med på:

• Avanserte termoelektriske materialer: Fortsatt utvikling av høyytelses termoelektriske materialer med forbedrede ZT-verdier og reduserte kostnader.
• Fleksible og strekkbare TEGer: Utvikling av TEGer som kan tilpasse seg formen på menneskekroppen og tåle mekanisk stress.
• Integrasjon med bærbare enheter: Sømløs integrering av TEGer i klær, tilbehør og andre bærbare enheter.
• Selvforsynte medisinsk utstyr: Utvikling av implanterbare og bærbare medisinsk utstyr som drives av kroppsvarme, noe som reduserer behovet for batteriskift.
• IoT-applikasjoner: Bred distribusjon av kroppsvarme-drevne sensorer og enheter i IoT-applikasjoner.

Konklusjon

Kraftsystemer basert på kroppsvarme representerer en lovende teknologi for å utnytte den termiske energien som produseres av menneskekroppen og konvertere den til brukbar elektrisitet. Selv om det fortsatt er betydelige utfordringer, baner pågående forsknings- og utviklingsarbeid vei for bredere bruk av denne teknologien i ulike applikasjoner. Etter hvert som termoelektriske materialer og enhetsteknologier fortsetter å forbedre seg, har kroppsvarme kraft potensial til å spille en betydelig rolle i fremtiden for bærekraftig energi og bærbar elektronikk, med globale implikasjoner for hvordan vi driver enhetene våre og overvåker helsen vår.