5 невероятных зарядных устройств для смартфона

Водородный топливный элемент

Электрохимическая реакция соединения водорода с кислородом была изучена в первой половине XIX века — ученые обнаружили, что водород и кислород, выделяющиеся из воды при электролизе, на поверхности платиновых пластин могут соединяться обратно в молекулы воды, при этом на пластинах появляется напряжение.

Применять это явление на практике в течение XX века пытались неоднократно. В начале прошлого века водородные топливные элементы в Великобритании начали применять для питания военных подводных лодок. К концу 1950-х американский ученый Фрэнсис Томас Бэкон добавил в конструкцию топливных элементов ионообменную мембрану, которая помогла значительно увеличить мощность, выдаваемую элементом, и этой разработкой заинтересовалось НАСА — космическому агентству как раз нужен был компактный, но мощный источник питания для будущих космических аппаратов. Постепенно водородные топливные элементы добрались и до бытового уровня. Уже в нынешнем веке на водороде заработали, хотя и не массово, мобильные электростанции (Toshiba H2One), автомобили (Toyota Mirai) и даже квадрокоптеры (российские AT Energy).

А вот с пользовательскими устройствами дело не заладилось. В 2010 году начались продажи пауэрбанка на водороде Horizon MiniPak — коробочки размером с ладонь, в которую вставляются баллончики с водородом. При включении пауэрбанка водород из баллончика перетекает в топливный элемент, где вырабатывается электричество для зарядки подключенных к USB-порту гаджетов. В одном перезаряжаемом баллончике хранится примерно 15 Вт энергии, чего с грехом пополам хватит, чтобы подзарядить современный смартфон. Заправлять баллоны можно прямо в домашних условиях через станцию HydroFill, которая вырабатывает водород электролизом с помощью электричества из сети или от солнечной батареи.

Источник изображения: Horizon

Вы не слышали о Horizon MiniPak? Это оттого, что проект водородного пауэрбанка был закрыт вскоре после начала продаж. Да и продажи-то были очень ограниченные. Во-первых, была виновата цена: $100 за MiniPak, $500 за электролизную станцию HydroFill или по $10 за каждый заряженный водородом баллончик. Во-вторых, подвела мощность — всего 2 Вт, которыми можно зарядить только выключенный смартфон, да и то потребуются чуть ли не сутки. В начале 2010-х в продаже уже появились недорогие пауэрбанки на литий-ионных батареях, которые по всем без исключения параметрам оказались лучше пауэрбанка на водородных топливных элементах.

Хотя в смартфонах, да и пауэрбанках водороду места не нашлось, сейчас водородные топливные элементы больших размеров и мощности считаются чуть ли не самым перспективным источником энергии будущего.

Метаноловый топливный элемент

Спирт может «зарядить» некоторых людей на сомнительные подвиги. А еще он может зарядить батарею мобильного телефона. Вернее, мог бы, да не сложилось — технология разложения метилового спирта с выделением электричества была жизнеспособна, но портативные аккумуляторы на ее базе так и не пошли в широкое производство.

Речь идет не о «питьевом» этиловом, а о ядовитом метиловом спирте с химической формулой CH₃OH. Обратите внимание на формулу, в ней целых четыре атома водорода. А водород, как вы уже знаете, прекрасно подходит для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов. Но если производить, перевозить и просто хранить водород очень сложно, опасно и дорого, то метиловый спирт — продукт дешевый и легкодоступный.

Принцип работы метанольной топливной ячейки прост: на полимерной мембране метанол окисляется, выделяя протоны водорода. Водород соединяется с кислородом, между анодом и катодом образуется разница потенциалов и появляется электрический ток. В процессе работы топливной ячейки метанол превращается в воду. Абсолютная экологичность!

В 2009 году японская Toshiba выпустила Dynario — метаноловый пауэрбанк для мобильных телефонов. Устройство (размером — 15×7×2 см и массой 280 г) казалось достаточно компактным по тем временам, хотя сейчас его габариты сравнимы с мощным пауэрбанком. Смартфоны как раз начинали набирать популярность, и вместе с новыми эмоциями и новыми возможностями их покупателей ждали новые проблемы, в том числе невероятно малое время работы устройств на одном заряде батареи. А так как пауэрбанков на литиевых аккумуляторах еще не существовало, Dynario выглядел прорывным продуктом.

Источник изображения: IDG TECHtalk / YouTube

Но не сложилось. Во-первых, Toshiba Dynario был крайне дорогим из-за наличия в нем катализатора из платины — зарядник стоил примерно $330. Во-вторых, фирменные капсулы с метанолом тоже стоили немало — $36 за пять ампул, каждой из которых хватало на 2−3 зарядки смартфона. В-третьих, ток зарядки составлял всего 0,5 А, из-за чего на зарядку телефона уходило даже больше времени, чем при использовании водородного топливного элемента. Наконец, опасность метанола для здоровья сразу же закрыла Dynario выход на западные рынки: зарядка просто не получила бы разрешения на продажу.

Toshiba Dynario продавали только в Японии ограниченным тиражом 3000 экземпляров. Судя по тому, что с тех пор метаноловые пауэрбанки никто не разрабатывал, концепция оказалась не слишком удачной.

Прозрачная солнечная батарея

Калькуляторами и спортивными часами с солнечной батареей никого не удивишь, причем уже много десятилетий. Эффект преобразования солнечного света в электричество открыли еще в середине XIX века, а в 1948 году началось производство кремниевых солнечных батарей для потребительской техники. В 1958 году солнечные панели впервые отправились в космос, где они питали электронику спутников.

С годами солнечные панели становились все эффективней и дешевле. В солнечных регионах планеты начали появляться солнечные электростанции, для домохозяйств в продажу поступили компактные солнечные панели для крыши, с помощью которых владельцы домов могли бесплатно получать небольшой объем электроэнергии. Дошло даже до портативных солнечных батарей для зарядки мобильной техники. Для туристов выпускают раскладные панели, от которых можно зарядить телефон или фонарик.

Проблема солнечных батарей — они занимают слишком много места. Чем больше площадь панели, тем выше отдаваемый ею ток. Электростанция где-нибудь в пустыне не слишком стеснена в пространстве. Но где найти место на том же смартфоне, чтобы разместить на нем солнечную батарею? Samsung и LG первыми начали эксперименты с панелями на тыльной стороне мобильников, но спросом LG GD510 Sun Edition (на фото внизу) и Samsung E1107 не пользовались.

Источник изображения: LG Electronics

Но исследователи из Мичиганского университета в США, казалось, нашли способ сделать солнечные панели совершенно прозрачными, как стекло, — то есть пригодными, чтобы закрывать такими панелями экраны смартфонов. Представьте, вы на улице смотрите на телефоне видео или социальные сети, а телефон при этом заряжается от дневного света! Работает это так: по граням прозрачной панели размещена обычная непрозрачная солнечная батарея, а стекло превращает солнечный свет в инфракрасный и перенаправляет его на грани, к солнечной батарее. Увы, красивая идея снова не прошла проверку практикой: из-за очень маленькой площади батареи прозрачная панель имеет настолько ничтожную мощность, что зарядить с ее помощью телефон просто невозможно.

Источник изображения: Yimu Zhao / Michigan State University

В 2021 году был предложен еще один способ превратить всю поверхность стекла в солнечную батарею. Для этого стекло делается из диоксида титана и оксида никеля — прозрачных полупроводников. Но вновь мощности такой панели не хватило бы для смартфона. Прозрачная солнечная батарея вырабатывает в 10 раз меньшую мощность, чем обычная непрозрачная солнечная панель. Возможно, в будущем нас ждут прозрачные окна, вырабатывающие электричество, но перспективы эти очень далеки.

Молекулярное хранилище солнечной энергии

Солнце — отличный источник бесконечной (в перспективе ближайшего миллиарда лет) энергии. Преобразовывать солнечный свет в электричество человечество уже научилось. Запасать электричество с солнечных электростанций — тоже, с помощью массивных литий-ионных батарей. Но из-за технологических особенностей аккумуляторов запасти энергию в них можно на относительно короткий срок. Из-за саморазряда батарея постепенно теряет заряд, и за несколько месяцев количество запасенной энергии может снизиться на треть.

Варианты, как справиться с этой проблемой в промышленных масштабах, на уровне целой электросети, уже изобретены и внедряются — для этого существуют крупномасштабные хранилища энергии на основе аккумуляторов разного вида, гидроаккумулирующие электростанции (они и вовсе применяются с начала XX века) и даже песчаные батареи. С компактными пользовательскими устройствами дело пока обстоит хуже. Впрочем, в 2017 году ученые нашли совершенно фантастический способ хранить солнечную энергию, превращая ее… в жидкость. Если точнее, в модифицированные молекулы, состоящие из водорода, углерода и азота, которые при комнатной температуре образуют жидкость. При облучении такой молекулы солнечным светом пространственное расположение атомов в ней меняется. В таком измененном состоянии молекула может пребывать до 18 лет. Когда потребуется получить энергию обратно, молекулы подают на катализатор, на котором они возвращаются в свое исходное состояние, нагреваясь на 63 °C относительно текущей температуры. Эта технология называется «молекулярный накопитель солнечной тепловой энергии» (MOST, molecular solar thermal energy storage).

Видоизменяясь, молекулы MOST выделяют тепло, но не электричество. Задача была решена в 2022 году — ученые из Швеции и Сингапура разработали термоэлектрический генератор, превращающий тепло «солнечных» молекул в электричество. Генератор умещается в ультратонком компактном чипе, который можно легко интегрировать в любой гаджет. По крайней мере, так говорят ученые. Пока что генератор выглядит так, как на фото ниже. Сам чип действительно очень тонкий и компактный, но система подведения жидкости к нему пока великовата для смартфона. Впрочем, это лишь первый экспериментальный образец.

Источник изображения: SciTech Daily / YouTube

Пока технология молекулярных хранилищ солнечной энергии находится на начальном этапе развития. Лабораторные испытания показали, что солнечную энергию действительно можно транспортировать в жидком состоянии. Но до реальных серийных смартфонов с термоэлектрогенератором, пожалуй, еще очень далеко.

Передача электричества по воздуху

Легендарный Никола Тесла в 1893 году на Всемирной выставке в Чикаго впервые продемонстрировал беспроводную передачу электричества, запитав люминесцентную лампу. С тех пор человечество грезит о полном отказе от проводов и переходе к беспроводной передаче электроэнергии. Глядя на офисные столы или хотя бы прикроватную тумбочку, понимаешь, что избавиться от проводов было бы неплохо. И все же лучшее, что получили владельцы современных смартфонов взамен кабелей, — станции беспроводной зарядки, которые способны запитать телефон на расстоянии не более 1 см от их поверхности. Так себе альтернатива.

Инженеры бьются над поиском способа передачи энергии на расстоянии — хотя бы на несколько метров! — причем так, чтобы устройство, например смартфон, можно было брать в руки и ходить с ним по комнате, а зарядка бы продолжалась. Некоторые разработки, претендующие на массовое использование в домах и общественных местах, уже существуют. Компания Wi-Charge уже продает устройства для передачи электроэнергии через инфракрасное излучение. Передатчик подключается к электросети и крепится под потолком. Он «освещает» инфракрасным излучением площадь 32 кв. м. Приемник размером с коробок спичек вставляется в порт зарядки смартфона либо интегрируется в чехол для телефона (на фото ниже). Как только приемник поймает ИК-излучение передатчика, он превратит его в электрический ток с силой около 0,05 А (0,25 Вт). Этого достаточно, чтобы в течение дня добавить телефону, лежащему на столе, несколько процентов заряда. На расстоянии 10 метров мощность зарядки снижается до 0,02 Вт — достаточно для питания различных датчиков и систем умного дома, но слишком мало для телефона.

Альтернатива — научиться преобразовывать в электричество радиоволны Wi-Fi. В 2015 году ученые из Вашингтонского университета в Сиэтле (США) cмогли запитать от Wi-Fi цифровую камеру, расположенную на расстоянии пяти метров от роутера. Для этого в прошивку роутера внесли небольшое изменение, чтобы он постоянно излучал сигнал — в моменты простоя вместо прекращения передачи роутер продолжал выдавать в эфир шум. Энергии, получаемой от волн Wi-Fi, не хватало для питания камеры в «прямом эфире» — сначала аккумулятор камеры подзаряжался, а потом она делала снимок. На получение заряда для одного кадра уходило около 15 минут. Мощность зарядки по Wi-Fi на несколько порядков меньше, чем необходимо для работы смартфона. Но это не значит, что задумка не удалась. В 2022 году Samsung выпустил пульт для своих телевизоров, который получает энергию именно через волны Wi-Fi! Пультом Eco Remote будут комплектоваться телевизоры Samsung QLED 4K и 8K 2022-го модельного года.