Trečiojo pasaulio šalyse jau dabar 1,6 milijardo žmonių gyvena be elektros. Situaciją aštrina ir iškastinis kuras, kurio atsargos nuolat senka. O ar kada nors esate pagalvoję, kiek energijos gali pagaminti jūsų kūnas?
Tikriausiai nedaugelis susimąsto, jog bejudant ir išskiriant kūno šilumai žmogus gali pagaminti apie 11 tūkst. vatvalandžių energijos per dieną. Tiek energijos pakaktų nešiojamą kompiuterį įkrauti 10 kartų. Tačiau kaip žmogaus galią paversti naudojimui tinkama energija? Čia pagelbėti gali pjezoelektrinis efektas.
Pjezoelektra, kaip reiškinys, specialistams žinomas jau daugiau nei 100 metų. Pjezoefektas suteikia galimybę žmogaus mechaninio judėjimo energiją paversti elektros energija. Dar 1880 m. broliai P. ir Ž. Kiuri, atlikdami bandymus su turmalino, kvarco bei Segneto druskos kristalais, nustatė, kad, mechaniškai veikiant šiuos kristalus slėgiu, jų paviršiuje atsiranda elektriniai krūviai.
Šis atradimas buvo pramintas pjezoelektra, o medžiagos, kuriose jis reiškiasi, – pjezoelektrinėmis medžiagomis. Lietuvos edukologijos universiteto docentas Fizinių mokslų Fizikos daktaras Sergejus Borodinas teigia, jog pjezoefektas yra pranašesnis už įprastus elektros energijos gamybos būdus ekologine prasme. Pjezoenergijai pagaminti nereikia sudėtingų technologinių procesų, daugybės žaliavų, jų išgavimo, gabenimo ar laikymo sąnaudų, tiesiog užtenka pagaminti patį prietaisą, kurio dėka bus kuriama pjezoenergija.
Pjezoelektra kasdieniame gyvenime
Keliai
Sunku suskaičiuoti kelius ir šaligatvius, kuriais žmonės nuolat vaikšto ar važinėja transporto priemonėmis visame pasaulyje. Didžiuliai erdvės plotai yra sukurti, kad atlaikytų žmonių ar automobilių judėjimo sukeliamą spaudimą, bet ne jį panaudotų. 2008 m. Izraelis pabandė pjezoelektrinį efektą pritaikyti tiesiant kelius. Tęstiniame 1 km greitkelio ruože, panaudojant pravažiuojančių transporto priemonių sukeliamą spaudimą bei vibracijas, buvo sugeneruota 400 kilovatvalandžių energijos. Toks elektros išgavimas galėtų padidinti elektrinių automobilių populiarumą, kurį iki šiol riboja netolimi kelionių atstumai ir kol kas nedidelis pakrovimo punktų skaičius.
Stotys
Dar 2007 metais buvo pasiūlyta idėja pritaikyti pjezoelektros principus viešose vietose, kur vyksta intensyvus žmonių judėjimas: prekybos centruose, koncertų salėse, sporto stadionuose ar traukinių stotyse. Grindyse įtaisius piezoelektrinę technologiją, dėl žingsnių spaudimo sukeltas elektros krūvis pjezoelektrinių kristalų dėka yra paverčiamas elektros srove, kuri yra kaupiama ir naudojama kaip energijos šaltinis.
NASA mokslininkai yra apskaičiavę, jog 84 mln. žingsnių gali sugeneruoti pakankamai energijos, kad paleistų į kosmosą kosminį erdvėlaivį. Šiuo principu 2008 m. pasinaudojo japonai, traukinių stotyse įrengę specialias grindis, kurių pagalba surinktos energijos pakako stoties apšvietimui bei bilietų tikrinimo aparatų veiklai užtikrinti.
Šokių klubai
Ar elektroninė muzika gali išgelbėti mus nuo energetinės krizės? Eilinis šokių klubas, dirbantis tris naktis per savaitę, per metus sunaudoja daugiau energijos nei 4 asmenų šeima. Aplinkai draugiški šokių klubai Olandijoje bei Londone jau dabar apsirūpina energija ne tik iš saulės ar vėjo, bet ir iš šokančių lankytojų. Specialių grindų ir po jomis esančių pjezoleketrinių kristalų dėka šokėjų kojų energija paverčiama elektra, kuri naudojama apšviesti klubus. Tokiu būdu naudojant pjezoelektrines grindis, pagaminama apie 60 proc. klubui reikalingos elektros energijos.
Mobilieji telefonai
Šiuo metu vis populiarėjant išmaniesiems telefonams, ne vienas iš mūsų susiduria su greitai išsikraunančia telefono baterija. Čia taip pat gali pagelbėti pjezoelektrinis efektas. Mobilieji telefonai gali būti pakrauti, juose įmontavus pjezoelektrines medžiagas bei panaudojant garso bangas ir vibracijas, atsirandančias, kai vartotojas naudojasi išmaniuojiu įrenginiu.
Taip pat Prinstono universiteto mokslininkų dėka nuo 2011 metų pjezoelektrinius kristalus bandoma integruoti į medžiaginius audinius, iš kurių siuvami drabužiai. Pasitarnauti gali ir juostelės, tvirtinamos aplink koją ar batai, kurių kulnuose įmontuoti pjezoelektriniai kristalai. Mokslininkų skaičiavimu, elektromagnetinių generatorių pagalba minutė spartaus ėjimo galėtų pakrauti mobilųjį telefoną net pusei valandos.
Ar galėtume pjezoelektros pagaminti „Akropolyje“?
Įsivaizduokime, kad dideliame prekybos centre, prie įėjimo įdiegiame specialią 50 metrų ilgio platformą, kuri piezoelektrinių medžiagų dėka iš mūsų žingsnių gamintų elektros energiją. Sakykime, kad per 50 metrų atstumą žmogus padaro apytiksliai 71 žingsnį, o tai galėtų sugeneruoti apie 0,0001 kWh elektros energijos.
Vien Vilniaus „Akropolyje” per dieną vidutiniškai apsilanko 45 tūkst. žmonių, jie, eidami per 50 metrų ilgio platformą, galėtų sugeneruoti 9 kWh energijos. Ir tai tik 50 metrų ilgio platforma prie vieno prekybos centro įėjimo. O jei visas prekybos centras būtų išklotas tokiomis platformomis? Vilniaus „Akropolyje“ butų galima patiesti ne mažiau kaip 1 km ilgio platformą, kuri iš visų lankytojų per dieną galėtų surinkti daugiau nei 64 mln. žingsnių, kurie sugeneruotų apie 91 kWh elektros energijos.
Vienas kvadratinis metras platformos, kuri žingsnius paverčia elektros energija, kainuoja beveik 6000 litų. Taigi, norint nutiesti prekybos centre 50 metrų ilgio ir 2 metrų pločio taką, kuris per dieną sugeneruotų 9 kWh energijos, reiktų 600 tūkst. litų investicijų. Tokiu atveju, išdalinus investicijas 5 metams, pagal pagaminamos energijos kiekį galima teigti, kad viena kilovatvalandė tokiu būdu pagamintos energijos prekybos centrui kainuotų apie 40 centų. Vis dėlto, VU mokslų daktaras Vytautas Kunigėlis teigia, jog Lietuvoje vidaus patalpose šiuo metu nuolatinių masių srautai nėra pastovūs, kaip, pavyzdžiui, einančių žmonių metro stotelėse Japonijoje ar kitose didesnėse šalyse.
Nors pjezoefekto principai buvo suprantami jau 19-ame amžiuje, tačiau pjezoelektra vis dar negali būti laikoma vienu iš pagrindinių energijos šaltinių. Tai stabdo didelis pjezoelektrinių medžiagų instaliavimo kaštų bei sukuriamos elektros energijos kiekių santykis.
Lietuvos edukologijos universiteto (LEU) doktorantas Arūnas Struckas nemano, kad pjezoenergija galėtų užimti didelę dalį energijos rinkos, nes pačios pjezo keramikos kaina nėra ir nebus pigesnė tiek, kad pjezoelektrikus būtų galima intensyviai naudoti energijos gamybai.
Kita vertus, galimybė patiems pasigaminti elektros energijos tam, kad galėtume įkrauti mobiliuosius telefonus, muzikos grotuvus ar nešiojamus kompiuterius tik įrodo, jog tokio atrasto potencialo nevalia ignoruoti. LEU docentas Fizinių mokslų Fizikos daktaras Sergejus Borodinas pritaria, jog ateityje pjezoenergija užims tam tikrą nišą, tačiau nepakeis įprastų elektros energijos gaminimo būdų, mat yra daug kitų alternatyvių energijos šaltinių, ir apskritai visuomenėje neturėtų vyrauti tik vienas elektros energijos šaltinis.
Lietuva taip pat neatsilieka nuo kitų pasaulio valstybių šioje srityje ir universitetų mokslinių tyrimų centruose vykdo pjezoaktyvių medžiagų tyrimus. Reportaže apie pjezoefekto reiškinį ir jo panaudojimo galimybes pasakoja Lietuvos edukologijos universiteto docentas Fizinių mokslų Fizikos daktaras Sergejus Borodinas ir Lietuvos edukologijos universiteto doktorantas Arūnas Struckas.