Základ toho, čemu dnes říkáme elektrosmáčivost, popsal již v roce 1875 Gabriel Lippmann. Nedostudovaný učitel, kterého později jmenovali profesorem na Sorboně, vysvětlil princip „electrowettingu“ pomocí chování rtuti na různě nabitých površích. Jde o to, že povrchový náboj změní tvar kapky. Dnes je tento efekt základem řady převratných inovací. Třeba optické soustavy přezdívané kapalné čočky. S ne moc velkým zjednodušením můžeme říci, že to není nic jiného, než kapky vody a oleje, do nichž se pustí troška elektřiny. Podle velikosti přiváděného napětí se rozhraní kapalin zakřivuje a pokud jsou tekutiny průhledné, můžeme se přes ně koukat jako dalekohledem a dle libosti měnit jejich ohniskovou vzdálenost. Je nasnadě, že když je dáme do kamery, odpadá tím pomalé a k bateriím ne zrovna šetrné posouvání klasických čoček elektromotorem. Před pár lety si zaostřování průhlednými kapkami na Lippmannově efektu nechal patentovat jistý Bruno Berge, tehdy ještě vědecký pracovník na L´Ecole v Lyonu, dnes úspěšný podnikatel a majitel firmy Varioptic, dodávající samozaostřovací objektivy do ultratenkých fotoaparátů a kamer na celém světě. Kamery s jeho čočkou zaostřují do půl sekundy. A protože jde o mikročočky, proces je bez hystereze a zpožďování. Stejného Lippmannova principu se využívá i v některých čtečkách elektronického papíru a u displejů počítačů. Ale to bychom již od v názvu slibovaných bot hodně odbočili.
Lippmannem otevřený zlatý důl jakoby byl bezedný. Svou patentovou přihlášku si nyní podal Thomas Nikita Krupenkin z Madisonu. Zajistil si ochranu přesného opaku toho, co si přisvojil Berge. Zatímco Francouz se zaměřil na přivádění proudu, jímž mění kapičkám jejich tvar, Američan na kapičky tlačí, aby z nich elektrický proud vymačkal. A protože se dá na kuličky tlačit všelijak (pomocí vibrací, jejich „proháněním“ kapilárou, případně se dá pod nimi točit magnetem), universitní filuta uvedl v patentu pro jistotu hned všechny možnosti (Pat.: US 7,898,096 B1). Teď, když už má věc legislativně takříkajíc v kapse, začínají se v tisku objevovat podrobnosti. Něco v časopisech, například v Nature communications, kam Krupenkin píše jako profesor z University of Wisconsin. Zbytek na stránkách firmy InStep NanoPower, kde vystupuje v roli presidenta. Podle těch, kteří se v tom vyznají, bude pan Krupenkin díky vložkám v botách brzo „za vodou“. Budou totiž umět něco, co žádné ze stávajícíh malých udělátek na výrobu elektřiny, jako například fotočlánky na batohu, nebo osobní tělový termoelektrický generátor proudu, nedokážou. Nová technologie má dokonce šanci převálcovat i mechanické způsoby získávání elektrické energie, které využivají piezoelektrických krystalů a nebo jsou na bázi klasických elektromagnetických dějů. Zisk energie by podle propočtů měl činit až 1 000 W m −2 (!)
Princip patentované technologie je popisován jako mikrofluidní systém, kterého základem je pohyb kapaliny, v níž jsou vodivé a nevodivé oblasti. Pohyb takové kapaliny v kapiláře, která je opatřena sadou elektrod, zajišťuje mechanický tlak. Tento proces je reverzibilní, to znamená, že kapalina může proudit jedním i druhým směrem. Protože není definována délka kapilár, popis se vztahuje i na sady mikrokapiček pohupujících se v důlcích mezi vrstvami pružného filmu. Tento pak funguje jako sběrnice povrchového elektrického náboje vznikajícího na kapičkách z vodivého materiálu, takže i když zařízení může nabývat různých podob, patent se na něj stále vztahuje.
Z hlediska získání co největšího množství energie by nejlepším materiálem pro kapičky byla rtuť. Při vdechování jejích výparů se ale hloupne a tak se v praxi počítá spíše se slitinou gallia, india a cínu (68,5 % Ga, 21,5 % In, 10 % Sn). Říká se jí galistan – podle začátečních písmen prvků, které ji tvoří: Gallium, Indium a Stannum (latinsky cín). Je netoxický a má jen o něco málo snížený výkon. Tuhne při -19 stupních Celsia a tak Krupenkinovy vložky, na nichž vědec hodlá zbohatnout, by přece jen měly jednu malou vadu krásy. Nehodily by se pro třeskuté mrazy. Ani ne proto, že by přestaly dobíjet baterky, ale proto, že by z pružných podrážek v mžiku mohly být dřeváky a při troše smůly by mohly ztvrdnout v ne zrovna pro nohu přívětivém tvaru.
Kolik energie se dá botou "vychodit"?
Vědci mají představu, že do podrážky by se dal poskládat dva metry dlouhý kapilární had. Ten by obsahoval 1 000 kapiček (každá 1 mm dlouhá a mezi nimi 1 mm kapalinového dielektrika). Potřebná plocha pro takové řešení by vyžadovala 40 cm čtverečních, což je asi čtvrtina plochy průměrné lidské šlapky (chodidla). Výška polštářku pod patou by dosahovala 2 mm. Podle dřívějších studií každým došlápnutím paty generujeme v podobě tepla zhruba 20 watů (20 joulů za sekundu). Část této energie (asi 10 W) bychom mohli využít na stlačování kapiček tekutého kovu, aniž bychom při chůzi pociťovali něco nepříjemného.
Výsledný reálný odhad čistého výkonu po ošetření o ztráty by na jednu nohu měl činit 2 watty (průměr na jednu botu při běžné chůzi).
| Jako dielektrikum pro kapiláry se nejlépe osvědčil pentoxid tantalu (Ta2O5). Tento izolant má vysokou schopnost polarizace (tedy být polarizován). Jeho vložením do elektrického pole nastává jev, který se nazývá polarizace dielektrika. Při ní se z atomů nebo molekul dielektrika působením přitažlivé a odpudivé elektrické síly stanou elektrické dipóly – dojde k nesymetrickému rozložení částic s elektrickým nábojem uvnitř molekul. |
Fluoropolymer Cytop se vyznačuje vodivostí a používá se do povrchových nátěrů všude tam, kde hrozí riziko tvorby statické elektřiny.
|
Předpokládaný výkon zařízení o 1000 kapičkách ve wattech. Červená křivka pro rychlou chůzi (frekvence 1 krok za sekundu) a modrá křivka pro odpočinkovou pomalou chůzi (frekvence jeden krok za dvě vteřiny) | Princip je podobný tomu, jaký známe z klasického deskového kondenzátoru se dvěma plochými propojenými elektrodami, mezi nimiž je malá mezera. Když se na elektrody přivede proud, jejich opačné náboje způsobí, že systém v určité poloze „ztuhne“. Násilím lze takový stav vychylovat, což vede k nárůstu napětí na elektrodách a obvodem začne procházet elektrický proud. Problém je v tom, že z hlediska výtěžnosti takového systému je potřeba udržet kapičky co nejblíže. Toho Krupenkin elegantně dosáhl tím, že je oddělil od dalších kapek nevodivým izolantem v podobě jiné kapaliny. Mezi povrchem kuličky rtuti a druhou (pevnou) elektrodou docílil mezer jen 10 – 50 nanometrů. |
I když se nyní do světa pouští líbivé obrázky sportovních bot s úhledně poskládaným kapilárním hadem v místě klenby nohy, v praxi to může vypadat jinak. Toto řešení by totiž mělo řadu nevýhod. Například i sebemenší porucha na dvoumetrové hadičce by neznamenala jen pokles výkonu, ale totální selhání celého zařízení. Jak již popis v patentové listině naznačuje, nemusí jít o kapiláry v pravém slova smyslu a stejnou funkci splní i deformovatelné sendviče se sadami jamek. V těch by kapičky galistanu nepochodovaly poslušně jako vojáci v řadě za sebou. Spíše by se to podobalo vězeňským celám, v nichž zadržení dostávají pořádnou nakládačku. Rána patou a náklon, aby vzápětí ráz z opačné strany vše vrátil zpět. Ze všech stran otloukané kuličky by pak dobrovolně předávaly své povrchové napětí elektrodovým dozorcům stojícím v řadách vedle sebe podél úzké chodby. Stejnou šanci na praktickou realizaci má ale i mnohem „humánnější“ varianta. Místo tvrdých rázů vedených v jedné rovině by mělo stačit i přitlačení víka sendviče s jeho mírným posunutím stranou. Mělo by to také fungovat, samozřejmě za předpokladu, že materiál, který to vše drží pohromadě, by vůči tomu moc neprotestoval a nechal si to líbit opakovaně. Která varianta tlačenky bude nakonec pro nás schopna z mikrokapiček vytlouct nejvíce energie, ukáží až praktické testy.
Americká agentura DARPA se již léta o něco podobného také pokoušela. Za její snahou z vojenských bot udělat zdroj energie je svízelná situace pěšáků, z nichž se stali vánoční stromečky neschopné pohybu. Jsou ověšeni komunikačními prostředky, GPS navigací, v helmě zabudovaným počítačem, přístrojem pro noční vidění, dálkoměrem, kolimátorem, ale nic z toho bez proudu nepracuje. Z mrštného válečníka se stal utahaný zoufalec, kterému v „patrontašce“ čím dál tím víc místa místo nábojů zabírají náhradní baterie. Výsledkem bádání vědců z DARPA ale zatím byly jen kanady s piezokrystaly. Bagančata sice vojákům při jejich nočních přesunech LED diodami vesele blikaly na cestu, ale v praxi se to moc neujalo.
Elektrosmáčivost (electrowetting)
Prameny:
InStep NanoPower, LLC
Nature communication
Patent US 7,898,096 B1 https://ip.com/patent/US7898096