Научно – исследовательская работа : «Энергия человека как альтернативный источник питания».

Научно – исследовательская работа

«Энергия человека как альтернативный источник питания».

Содержание

Введение

Если ветер, солнце, вода, волны, течения и геотермальные резервы уже давно воспринимаются как источники энергии, то о том, что давать энергию может собственно сам человек, задумывается пока мало кто. Тем не менее тепло человека можно использовать, к примеру, для подзарядки электронных устройств.

Объектом исследования является энергия человеческого тела. В качестве предмета исследования выступает явление, в ходе которого человек способен участвовать в выработке электроэнергии.

Целью исследования является энергия человеческого тела как альтернативного источника питания.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- подбор литературы по выбранной проблеме;

- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;

-проведение опыта, демонстрирующего выработку электроэнергии при помощи тела человека;

- обработка и анализ полученных материалов.

Новизной работы стал опыт, демонстрирующий использование энергии человеческого тела.

Практическая значимость работы: -проведенный эксперимент вносит определенный вклад в понимание механизма получения электроэнергии от человеческого тела;

- данную работу можно использовать для объяснения физических явлений на уроках физики и химии.

1.Теоретическая часть.

1.1Тепловая энергия человека.

Независимо от нашего желания, количества съеденной еды или состояния здоровье человеческое тело постоянно выделяет тепло. Как правило, впустую, но недавно начались первые эксперименты по использованию данной тепловой энергии.

Тело взрослого здорового человека с нормальной температурой в состоянии покоя выделяет тепло в эквиваленте 60 Вт/ч. Если он занимается легкой физической работой, например, пешей ходьбой, то это значение увеличивается до 100-120 Вт/ч. А спортсмены во время интенсивной тренировки прогревают окружающий воздух на 800-900 Вт/ч.

На обогрев непосредственно тела и его органов идет достаточно небольшая часть это тепла – не более 50%. Остальное просто рассеивается в атмосфере, независимо от нашего желания. Наиболее рациональное применение этому теплу – нагрев воздушной прослойки под зимней одеждой или одеялом. В остальных случаях можно говорить о бесполезном расходе.

Поверхность человеческого тела выделяет тепло неравномерно и подключить к ней теплообменники весьма проблематично. Да и КПД такой системы будет оставлять желать лучшего, так как человек не может все время заниматься интенсивной физической работой. До недавнего времени воспользоваться теплом человека для хозяйственных нужд было проблематично.

1.2 Стокгольмский эксперимент

В настоящее время центральное здание Стокгольмского железнодорожного вокзала превращено в своеобразный экспериментальный полигон. Из основных залов убрали кондиционеры, стены оснастили слоем теплоизоляции, а дверные и оконные проемы сделали менее воздухопроницаемыми. Внутри системы вентиляции установили теплообменники и подключили их к системе теплоснабжения соседнего здания. Данная идея была предложена компанией «Jernhusen AB» ещё в 2008 году. На реализацию данной мысли понадобилось 47’000$, которые окупились через 5 лет.

Ежесуточно через здание вокзала проходит около 250 тыс. человек, который выделяют до 25 МВт тепловой энергии. Большая ее часть в виде нагретого воздуха собирается в вентиляции и через теплообменники энергия передается на нагрев воды в системе отопления другого здания. Остывший, но насыщенный CO ₂ воздух поступает наружу, а на его место закачивается свежий и пока еще прохладный с улицы.

Подсчитать эффективность работы такой системы проблематично, но по приблизительным оценкам она позволяет экономить до 25% энергии, расходуемой на отопление здания. При этом сооружение подобного нагревателя не требует особых капиталовложений, а установить его можно в самых разных местах скопления людей – в метро, в супермаркетах, в банках и т.д.

1. Сколько электричества вырабатывает человек.

Электричества, которое генерирует человек, может хватить для зарядки мобильного телефона. Наши нейроны находятся под постоянным напряжением, а разницу между жизнью и смертью можно определять по электрическим волнам на энцефалограмме. Как-то в Древнем Риме сын богатого архитектора и начинающий врач, Клавдий Гален прогуливался по берегу Средиземного моря. И тут его глазам предстало весьма странное зрелище – навстречу ему шли два жителя близлежащих деревушек, к головам которых были привязаны электрические скаты! Так история описывает первый известный нам случай применения физиотерапии при помощи живого электричества. Метод был взят Галеном на заметку, и столь необычным способом он спасал от боли после ранений гладиаторов, и даже излечил больную спину самого императора Марка Антония, который вскоре после этого назначил его личным врачом. После этого человек не раз сталкивался с необъяснимым явлением «живого электричества». И опыт не всегда был положительный. Так, однажды, в эпоху великих географических открытий, у берегов Амазонки, европейцы столкнулись с местными электрическими угрями, которые генерировали электрическое напряжение в воде до 550 вольт. Горе было тому, кто случайно попадал в трехметровую зону поражения. Но впервые наука обратила внимание на электрофизику, а точнее на способность живых организмов вырабатывать электричество, после презабавного случая с лягушачьими лапками в XVIII, которые в один ненастный день где-то в Болонье, начинали дергаться от соприкосновения с железом. Зашедшая в лавку мясника за французским деликатесом, жена болонского профессора Луиджи Гальвани, увидела эту ужасную картину и рассказала мужу о нечистой силе, которая бушует по соседству. Но Гальвани посмотрел на это с научной точки зрения, а спустя 25 лет упорных трудов вышла его книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении». В ней ученый впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а нервы это своеобразные «электропроводы». Как это работает? Как же человек генерирует электричество? Всему причиной многочисленные биохимические процессы, которые происходят на клеточном уровне. Внутри нашего организма присутствует множество разных химических веществ – кислород, натрий, кальций, калий и многие другие. Их реакции друг с другом и вырабатывают электрическую энергию. Например, в процессе «клетчатого дыхания», когда клетка высвобождает энергию, полученную от воды, углекислого газа и так далее. Она, в свою очередь откладывается в особые химические макроэргические соединения, условно назовем это «хранилищами», и впоследствии используется «по мере необходимости». Но это всего лишь один из примеров – в нашем теле много химических процессов, которые вырабатывают электричество. Каждый человек – это настоящая электростанция, и ее вполне можно использовать в быту. Много ли мы производим ватт? Энергия человека как альтернативный источник питания уже давно перестала быть мечтой фантастов. У людей большие перспективы в качестве генераторов электричества, его можно вырабатывать практически из любого нашего действия. Так, от одного вдоха можно получить 1 Вт, а спокойного шага хватит, чтобы питать лампочку в 60 Вт, да и зарядить телефон будет достаточно. Так что проблему с ресурсами и альтернативными источниками энергии, человек может решить, в буквальном смысле, сам. Дело за малым – научиться передавать энергию, которую мы столь бесполезно растрачиваем, «куда надо». И у исследователей уже есть предложения на этот счет. Так, активно изучается эффект пьезоэлектричества, который создает напряжение из механического воздействия. На его основе еще в 2011 году австралийские ученые предложили модель компьютера, который заряжался бы от нажатия клавиш. В Корее разрабатывают телефон, который будет заряжаться от разговоров, то есть от звуковых волн, а группа ученых из GeorgiaInstituteofTechnology создала действующий прототип «наногенератора» из оксида цинка, который вживляется в человеческое тело и вырабатывает ток от каждого нашего движения. Но это еще не все, в помощь солнечным батареям в некоторых городах собираются получать энергию из часа пик, точнее от вибраций при ходьбе пешеходов и машин, а потом использовать ее для освещения города. Такую идею предложили лондонские архитекторы из фирмы FacilityArchitects. По их словам: «В часы пик через вокзал Виктория за 60 минут проходит 34 тысячи человек. Не нужно быть математическим гением, чтобы понять — если удастся применять эту энергию, то может фактически получиться очень полезный источник энергии, которая в настоящее время расходуется впустую». Кстати, японцы уже используют для этого турникеты в Токийском метро, через которые каждый день проходят сотни тысяч человек. Все-таки железные дороги – основные транспортные артерии Страны Восходящего солнца.

1.4Использование энергии человеческого тела. В связи с массовым выпуском беспроводных устройств корпорации и предприниматели стали задумываться над новыми способами зарядки и над футуристической идеей использовать тело человека в качестве своеобразной док-станции. Физиками был представлен революционный материал, состоящий из особых нанокристаллов, которые при деформации вызывают пьезоэлектрический эффект. Именно посредством таких деформаций и вырабатывается электричество.

1). MatrixPowerWatch — фитнес-часы с зарядкой от тепла тела - это «умные» часы, которые используют для зарядки тепло тела человека и перепад температур со средой. Внутри устройства все основные функции современных смарт-часов: подсчёт пульса и шагов, контроль режимов сна, сменные циферблаты, счётчик калорий и режимы тренировок. Также эти часы водостойкие и ударопрочные.

2).Энергия кровяного давления. В 2011 году исследователи из университета Берна (Швейцария) разработали микротурбину, которая может быть имплантирована в артерии для генерации энергии из кровотока. В теории турбина, действующая по принципу гидроэлектростанции, нуждается всего в двух элементах: текучей жидкости и генераторе.Учёные решили, что вырабатываемую энергию можно собирать, поместив в вены и артерии человека крошечные генераторы. Однако в разработке, помимо огромного потенциала для применения в новой медицине, существует серьёзный потенциальный риск: блокировка кровотока, вызванная турбулентностью устройства.Учёные из китайского университета Фудан в Шанхае усовершенствовали идею коллег из Швейцарии и разработали генератор на основе карбоновых нанотрубок. Это почти одномерное, лёгкое устройство, которое может быть имплантировано внутрь вены и вырабатывать электричество из кровотока, точно так же, как полномасштабный генератор — из проточной воды.Устройство генерирует энергию путём погружения в проточный солевой раствор, например, в кровь в сосудах. По данным исследовательской группы, эффективность преобразования энергии от тока крови (23,3%) превосходит все другие миниатюрные устройства в мире.Собранная таким устройством энергия может быть использована для зарядки кардиостимуляторов, датчиков артериального давления, микронасосов для инъекций лекарств и других систем, которые в настоящее время работают с помощью встроенных и недолговечных батарей.

3 )Pavegen — энергия из шагов. Проект Pavegen, основанный в 2009 году, провозгласил себя мировым лидером в области сбора энергии и данных из наших шагов. Технология Pavegen — это сложная инженерная система напольного покрытия.Когда люди наступают на специальные плитки, их вес заставляет электромагнитные индукционные генераторы вертикально перемещаться, что генерирует электричество. Каждая плитка оснащена беспроводным интерфейсом, что позволяет собирать аналитику о движениях в реальном времени. Основатели проекта предлагают использовать эту технологию, например, торговым точкам, чьи покупатели могут сэкономить для бизнеса электроэнергию, просто зайдя внутрь; или торговым центрам, чтобы сделать пространство здания более эффективным с помощью захвата энергии от прогулок людей по магазинам.

4). Энергопреобразующий эко-танцпол. В Лондоне открылся первый в Европе экологичный ночной клуб Club4climate.В клубе работает специальный танцпол, который перерабатывает энергию танцоров в электричество. В системе напольного покрытия используется концепция пьезоэлектричества, когда кристаллы и керамика при деформации создают заряд для выработки электроэнергии.Вход в клуб стоит десять фунтов стерлингов, но клиентов, которые могут доказать, что они пришли на вечеринку пешком или приехали на велосипеде, пускают бесплатно. Эндрю Хараламбус, глава Club4climate, сказал, что клуб сможет вдохновить молодых людей на борьбу с глобальным потеплением. «Наша цель, — как говорит основатель. — Открыть первый в стране эко-клуб и привлечь внимание людей к экологической ситуации в мире». Глобальное потепление – это одна из главных причин развития альтернативных источников энергии. Команда клуба сообщает, что энергии, генерируемой за одну вечеринку в клубе, хватает для экономии 60% дневного счёта за электричество во всём здании.

Club4climate. Лондон.

5)Энергия прикосновений. Механическая энергия есть даже в самых мелких и незаметных процессах: воздух колеблется от нашего дыхания, кнопки на клавиатуре нажимаются от касаний при наборе текста. Исследователи из Мичиганского университета разработали устройство, основанное на принципах пьезоэлектричества. Оно позволяет конвертировать энергию от прикосновений пользователя в электрическую, например, для подзарядки устройств с экранами или клавиатурой. Такие преимущества, как лёгкость, гибкость, дешевизна и надёжность могут сделать новый материал удобным для подзарядки автономной электроники, в том числе беспроводных гарнитур, смартфонов и других сенсорных устройства.

Практическая часть.

Я не остался в стороне и провёл удивительный опыт, по получению электроэнергии. Принцип получения электричества необычайно прост, он основан на опыте Луиджи Гальвани, описанный мною выше. Обратимся к химии. В роли источника питания выступает гальванический элемент - химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. (На принципе гальванического элемента работают батарейки и аккумуляторы.) Чем же помогает тело человека? В ходе потоотделения, на наших руках создаётся кислая среда – электролит. В результате химического воздействия электролита на электроды элемента (медь и цинк) на них появятся противоположные электрические заряды, причем цинковая пластинка окажется заряженной отрицательно, а медная- положительно. Также тело человека является ключом, который замыкает цепь. Для проведения опыта я взял медный провод, вольтметр и оцинкованный гвоздь. В ходе измерения напряжения на концах медного и цинкового проводников я получил следующие значение. Один человек способен выдавать около 250мВ, но однако значение показаний зависят от многих факторов. Это и состояние проводников, электропроводимость конкретного человека, интенсивность потоотделения, температура тела и даже что экспериментатор употреблял в пищу. 250мВ это очень маленькая цифра, однако ёмкость источников можно складывать, соединяя их последовательно. Таким образом, при помощи нескольких экспериментаторов можно добиться того, что от тела человека будут работать маленькие часы или фонарик. Данное направление необычайно важно, т.к нынешнее источники энергии работают на невозобновляемых ресурсах, наносят вред экологии. Энергия человеческого тела представленная в моём опыте и вышеперечисленных примерах является лёгко доступной, но, увы, в нынешнее время малоэффективной.

Заключение

Проведя исследование по данной теме, я пришёл к выводу, что использование энергии человеческого тела не миф, а реальность. Цели и задачи, которые я ставил перед собой, достигнуты.

Литература

https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент

https://www.powerwatch.com/

https://www.segodnya.ua/world/shvedy-predlahajut-otaplivat-doma-puteshectvennikami.html