تقنيات توليد الطاقة من جسم الإنسان

تقنيات توليد الطاقة من جسم الإنسان

لنتأمل حشداً من الناس في مدينة مكتظة في وسط النهار، الآلاف منهم يمشون ويهرولون في مشاويرهم الاعتيادية. لنوسِّع نطاق تخيلنا هذا ليشمل جميع المدن في هذا البلد، ثم جميع البلدان في العالم. المليارات من البشر يشكِّلون منظومة ضخمة من الآلات الميكانيكية الحيوية، التي تستخدم الطاقة الكامنة في الغذاء لتؤدي أعمالها من خلال توليد الحركة الميكانيكية. من هنا نما الاهتمام بالحلول التي من شأنها استغلال هذه الحركة الهائلة كمصدر لتوليد الطاقة لمنظومتنا الحضارية، لكونها مهدورة في أغلبها، فيما نحن في بحث مستمر عن مصادر جديدة لتلبية النهم العالمي على الطاقة. فهل تمثل الطاقة التي تولّدها أجسامنا بديلاً مقنعاً؟ الأبحاث الجدية قطعت أشواطاً ملحوظة.

الموضوع ليس جديداً على المجتمع العلمي، فقد بدأ التفكير بطرق لـ "حصد الطاقة" من الجسم البشري منذ ستينيات القرن الماضي، بوضع مولدات على الدرَّاجات الهوائية. بل إن أطروحات ظهرت أثناء الحرب العالمية الثانية ومع ظهور النماذج الأولى للحواسيب الإلكترونية دعت لاستغلال الطاقة الحركية للمستخدمين لإمداد الأجهزة بالكهرباء عبر نوع من المحولات. وحتى يومنا هذا، يظهر عديد من الدراسات والنماذج الأولية للاستفادة من الطاقة المهدورة التي ينتجها كل منّا أثناء حركته طوال ساعات يقظته.

قد لا يكون جلياً في بادئ الأمر كم أن جسم الإنسان مصدر غني للطاقة. فالإنسان البالغ المتوسط الحجم يخزن في دهون جسمه قدراً من الطاقة يعادل بطارية كتلتها 1000 كلغ. وتستخدم هذه الطاقة الكامنة (المخزنة) في مختلف الوظائف الحيوية. إذ تحوِّل العضلات الطاقة الكامنة في خلايانا إلى طاقة حركية من خلال عمليات حيوية معقَّدة، كما يستأثر الدماغ البشري النهم بقدر معتبر منها. لكن المهدور من هذه الطاقة يظل مدهشاً وباعثاً على الأسف، إذ إن أقصى كفاءة للعضلات تصل إلى %25، ما يعني أن ربع الطاقة المخزنة في الدهون فقط يتحوَّل إلى طاقة حركية من خلال العضلات. وهو ما يعرف بالكفاءة الحرارية، إذا اعتبرنا جسم الإنسان آلة حرارية تقوم بتحويل الطاقة الكامنة إلى عمل (طاقة حركية). وبالمقابل، فأعلى كفاءة لمحرك الديزل مثلاً تصل إلى %60، ولكن التكلفة البيئية لهذه المحركات عالية جـداً إذا ما قورنت بجسم الإنسان.







بالإضافة إلى ما سبق، فإن قدرة العضلات مرتفعة، وتقدر بمعدل 100 واط يمكن المحافظة عليها بشكل شبه مستمر. لكن هذه القدرة كما أسلفنا غالباً ما تكون مهدورة لا يمكننا استغلالها على الرغم من وفرتها حيثما كان هناك آدمي يتحرك. ولذا، يشكِّل مجال حصد الطاقة من البشر مجالاً نشطاً للدراسات والابتكارات. وقُدِّر تمويل الأبحاث في هذا المجال في عام 2011م بأكثر من 700 مليون دولار، ويُتوقع أن يزيد هذا التمويل ليصل إلى ما يقارب 5 مليارات دولار في حلول عام 2020م، وذلك وفق تقرير صدر في 2012م، وشمل أكثر من 170 دراسة من 33 دولة، تصدرت فيه الصين ومن بعدها الولايات المتحدة الأمريكية بعدد الدراسات المكرَّسة لحصد الطاقة من البشر.

لم تغب هذه الفكرة عن مخيلة صانعي أفلام الخيال العلمي كذلك. فالفِلم الشهير (المصفوفة - The Matrix) صوّر عالماً يتم فيه تكريس البشر بالكامل؛ ليكونوا بطاريات حيوية لتوليد الطاقة في مصفوفة ضخمة من شبكات الحصاد. ولكن هذه الفكرة تظل بعيدة عن الواقع، لأن استخدام البشر كبطاريات حيوية لإنتاج الطاقة على نطاق واسع أمر غير عملي، فهناك عديد من الحلول البديلة لتوليد الطاقة على نطاق واسع ذات فاعلية أكبر بكثير من البشر، مهما كانت فاعلية استخراج تلك الطاقة.

إلَّا أن التوظيف الأساسي لحصد الطاقة من البشر قد يتحقق على نطاق ضيق. وعلى سبيل المثال، فقد تستغل الآلات الرياضية في الأندية والبيوت، أو تُحصد الطاقة الحركية للمشاة على الأرصفة لإنارة الشوارع، أو يُوجّه نتاج حركة الفرد منا لشحن أجهزته الشخصية المحمولة.

تقنيات حصد الطاقة

قبل الحديث عن تقنيات حصد الطاقة من البشر، يجب تعريف مفهوم "حصد الطاقة- Energy Harvesting".
إننا محاطون بكثير من مصادر للطاقة الطبيعية المنشأ، ولكنها غالباً ما تذهب سدى دون الاستفادة منها، ولعل أهمها في منطقتنا الطاقة الشمسية، ثم طاقة الرياح. وهناك أيضاً الطاقة الحرارية في باطن الأرض، وطاقة الأشعة الكهرومغناطيسية المحيطة بنا، وأخيراً طاقة البشر (وغيرهم من الكائنات) المتولدة نتيجة حركتهم.







توجد بشكل أساسي أربعة أشكال للطاقة القابلة للحصاد، وهي: الطاقة الميكانيكية الناجمة عن حركة مثل طاقة الرياح أو حركة الكائنات الحية، والطاقة الحرارية المحيطة كالتي توجد في باطن الأرض أو من حرارة جسم الإنسان أو نحوه. والطاقة الكيميائية وهي طاقة كامنة في المركّبات الكيميائية التي تنتج بشكل عرضي ويمكن توظيفها كوقود ومن أشهر الأمثلة على هذه استخدام مخلفات المواشي في توليد غاز الميثان في مفاعلات حيو-كيميائية. وأخيراً الطاقة الشعاعية ومن أهم أشكالها ضوء الشمس.

إن أبسط مثال على تطبيقات حصد الطاقة من حركة الإنسان هو في استعمال مولّد صغير يُركّب على الدرَّاجة الهوائية. يتألَّف هذا المولًد من مغناطيس صغير يقوم بالدوران داخل ملف نحاسي. وتؤدي الحركة الدورانية للمغناطيس إلى توليد تيار كهربائي صغير يمكن استخدامه لاضاءة مصباح مركَّب في مقدمة الدرَّاجة. وعلى الرغم من بساطة هذا النموذج، إلَّا أنه يشكِّل طرحاً واضحاً لمبدأ حصد الطاقة من حركة البشر، و ذلك دون تكريس جهد مخصَّص منهم لتوليد الطاقة. فقائد الدرَّاجة ليس هدفه الأساسي توليد الكهرباء هنا، بل الانتقال من مكان إلى آخر. ولكن أي منا ممن استخدم هذا المولد على الدرَّاجة يعلم أنه قد يصعّب عملية تحريك بدَّالات الدرَّاجة قليلاً، ويُعد هذا جهداً إضافياً يبذله الشخص لحصد الطاقة منه. وبالطبع، كلما قلّ هذا الجهد الإضافي كانت آلية حصد الطاقة أفضل و أكثر فعالية.

إذاً من المثال السابق يمكننا تحديد معيارين لحصد الطاقة من البشر: عدم تكريس البشر أنفسهم لتوليد الطاقة، وعدم إضافة جهد إضافي في الحركة " الطبيعية" من قبل المستخدم للاستفادة من الطاقة. وأحد أفضل الأمثلة على الآليات التي تحصد الطاقة من البشر هي الكهرباء الانضغاطية. وهي توليد تيار كهربائي عن طريق تطبيق ضغط على مواد لها هذه الخاصية، التي اكتشفت 1880 من قبل جاك وبيير كوري. ومن أمثلة هذه المواد الكوارتز المتواجد بشكل طبيعي أو مواد مصنعة مثل مركبات السيراميك مع شوائب.







ولكن هذه ليست الطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها استغلال الكهربية الانضغاطية لحصد الطاقة من جسم الإنسان، حيث قام فريق في المملكة المتحدة من جامعات ليفربول وكرانفيلد وسالفورد بتصميم جهاز يمكن ارتداؤه على المفاصل (الركبة أو المرفق) يتألَّف من حلقة خارجية تدور إذا ما تحرك المفصل مشكّلاً ضغطاً على الداخل المؤلف من 72 ريشة، تنقل الضغط إلى أربع وحدات تولد الطاقة من الكهربية الانضغاطية. ويقوم هذا الجهاز بحصد الطاقة الحركية من المفاصل من دون أي جهد إضافي مبذول من قبل المستخـدم. ويبدو هذا الابتكار واعداً للطرح كمنتج تجاري.

ويمكن أيضاً حصد الطاقة الميكانيكية من الإنسان بواسطة ملابس خاصة، حيث طرح باحثون من "جامعة ريجا التقنية" في لاتفيا إمكانية وضع مولدات في الألبسة، بحيث يتألَّف المولّد من ملفات لولبية ومغناطيس مستطيل الشكل، وحينما يتحرَّك المستخدم تتحرّك مكونات المولًد بالنسبة لبعضها مولدة تياراً كهربياً حثّياً. وتمت تجربة نموذج أولي من قبل شخص يمشي بسرعات مختلفة تحاكي جميع الاحتمالات الواردة لحركة الشخص، وأبدى النموذج الأولي نتائج مبشرة في توليــد طاقة تكفي لشحن الأجهزة الإلكترونية المحمولة.

ومن الطرق المبتدعة الأخرى لحصد الطاقة الميكانيكية من جسم الإنسان هو ما قام به أحد المصممين الصناعيين في لندن ويدعى جواو لاموغليا باختراع كمامة سماها "هواء " تحصد حركة الهواء المندفع من وإلى الأنف أثناء التنفس. ويمكن للمستخدم ارتداء الكمامة في أي وقت للاستفادة من طاقة تنفسه لشحن أجهزته المحمولة. ويمكن لأي شخص حالياً شراء هذه الكمامة على الإنترنت بأقل من 30 يورو، وإن كان السير بكمامة غير مقنع ولا مريح بطبيعة الحال.







ليست الطاقة الميكانيكية فقط هي ما يمكن حصده من الإنسان، بل يمكن أيضاً الاستفادة من الحرارة التي يشعها جسم الإنسان لتوليد الكهرباء. وتقدَّر القدرة الناجمة عن الإشعاع الحراري بأكثر من 100 واط يشعها جسم الإنسان في محيطه وتذهب سدى. ولكن بفضل تقنيات أنابيب الكربون النانوية تمكن فريق من الباحثين في "مركز أبحاث مواد النانو والمواد الجزيئية" في ولاية نورث-كارولاينا الأمريكية من استغلال قدر كبير من هذه الطاقة من خلال ملابس يرتديها المستخدم تحول الحرارة إلى قدرة كهربية من خلال فرق درجات الحرارة بين الجسم ومحيطه.
إن المبدأ الفيزيائي الذي اعتمد عليه الفريق ليس بجديد على المجتمع العلمي ويعرف بالظاهرة الكهروحرارية، حيث يولّد الفرق بين درجات الحرارة على طرفي مواد معينة (بالأخص أشباه الموصلات) جهداً كهربياً. وتتميز المواد النانوية المستخدمة بدقتها الشديدة وإمكانية دمجها مع أي نسيج قماشي بدون أن تؤثر على ملمسه أو تشكّل إزعاجاً لمن يرتديه.

وليس العالم العربي ببعيد عن هذه التقنيات، فقد قام الباحث نديم إيناطي في بيروت بتصميم العجلة الخضراء (Green Wheel)، وهي عجلة كبيرة شبيهة بالعجلة التي تدور فيها الفئران المستأنسة، لكنها مصممة كآلة رياضية للبشر تقوم في الوقت نفسه بتحويل الطاقة الحركية للمستخدم إلى طاقة كهربائية بفعالية كبيرة. حيث يقوم المستخدم بالركض على السطح الداخلي للعجلة، ونصف ساعة من ممارسة هذه الرياضة تكفي لشحن 12 جهاز محمول.

مستقبل حصد الطاقة

على الرغم من محدودية استخدام هذه التقنيات حالياً، إلاَّ أنَّ المستقبل يحمل كثيراً من الوعود المبشرة في هذا المجال. حيث ينشر عديد من الأبحاث سنوياً في مجال حصد الطاقة من خلال أنظمة أو شبكات لاسلكية من الحساسات والمستشعرات التي يمكن ربطها مع بعضها لتشكِّل منظومة متكاملة لحصد الطاقة، وبطاريات لتخزينها وأجهزة تقوم باستخدامها مباشرة، جميع هذه المكونات مرتبطة ببعضها بشكل لاسلكي، بحيث يتم نقل الطاقة لاسلكياً من المولّد إلى الأجهزة المحمولة بشكل مباشر. ومع تطور تقنيات الاتصال اللاسلكي مثل اللاي- فاي LiFi الذي يستخدم الضوء المرئي لنقل البيانات ومستقبلاً الطاقة بدلاً من المايكروويف، سيكون نقل الطاقة لاسلكياً أسرع وأجدى.







وأهم التطبيقات المستقبلية الأخرى لحصد الطاقة من جسم الإنسان ستكون في المجال الطبي، حيث يضطر من يستخدم منظمات ضربات القلب الموضوعة داخل الجسم لتبديل بطاريات هذه الأجهزة كل عدة سنوات عن طريق عملية جراحية. ويطمح فريق بحثي من مختبر الكهرباء وتقنية المعلومات (Leti) في غرونوبل في فرنسا، إلى أن يجعل المرضى يستغنون عن عمليات تبديل البطاريات عن طريق تصميم منظم لضربات القلب يعمل بقدرة منخفضة (5 ميكرو-واط)، مستفيداً من الطاقة الميكانيكية لخفقان القلب نفسه ليحصل على الطاقة. ويعمل فريق بحثي آخر من جامعة ميتشيغان الأمريكية على تصميم جهاز يحصد الطاقة من ضربات القلب ثم يحولها إلى طاقة كهربية تشحن المنظمات الحالية دون الحاجة إلى تغيير البطاريات أو المنظمات نفسها، وذلك باستخدام تقنية الكهرباء الانضغاطية المذكورة سلفاً.

إن جسم الإنسان مورد متنوع وفعال لإنتاج الطاقة وحصدها، بشتى أنواعها. وتتنوِّع طرق حصد الطاقة لتلائم مختلف المستخدمين بمختلف نشاطاتهم. فعلى عكس وسائل حصد الطاقة الأخرى، تولّد أجسامنا الطاقة وتنشرها في البيئة المحيطة طوال الوقت. فمثلاً يولد جسم الإنسان قدرة بمعدل 81 واط أثناء النوم، و 116 واط أثناء الجلوس وأكثر من ذلك بقليل 128 واط خلال المحادثات أو تناول الطعام أو حتى الوقوف باسترخاء. ويولد قدرة أكبر من ذلك أثناء قيامه بنشاطات بدنية شاقة. إذ إن أحدنا مثلاً يولد قدرة بمعـدل 350 واط عند المشي بسرعـة متوسطة وأكثر من 580 واط أثناء السباحة. وقد يصل معدل القدرة التي ينتجها الفرد إلى أكثر من 1600 واط خلال ممارسة النشاطات البدنية العنيفة:

النشاط
معدل القدرة المولدة (واط)
النوم
18
الجلوس باسترخاء
39-611
الوقوف باسترخاء
821
محادثة مع الآخرين/ الطعام
821
المشي ببطء / قيادة السيارة
361
القيام بأعمال منزلية
571
القيام بأعمال يدوية كالنجارة
862
المشي بسرعة متوسطة
053
السباحة
285
تسلق الجبال
896
الجري لمسافات طويلة
8401
الجري السريع/ نشاطات بدنية عنيفة
0361

قد لا تكون تقنيات حصد الطاقة من جسم الإنسان هي المستقبل لحل أزمة الطاقة العالمية، وهي لا تمثل بطبيعة الحال بديلاً للوقود الأحفوري. وذلك ليس الهدف من تطويرها ابتداءً. لكن حصد الطاقة سيوفِّر بدائل لتطبيقات قد لا يجدر هدر الموارد الثمينة عليها، وسيمكننا من الاستفادة من مورد للطاقة غير مستغل أصلاً. وحيث إن شحن الأجهزة المحمولة والذكية -مثلاً- قد بات همّاً أساسياً في حياتنا، ولقرب هذه التقنيات من المستخدم، فهي سريعة الاستفادة منها، وربما ستلغي الحاجة للاستعانة ببطاريات (كما هو الحال لمنظمات ضربات القلب المقترحة) لأن المستخدم يولد الطاقة التي يستخدمها بشكل مستمر، وبالتالي لا يحتاج المستخدم أن يكون على اتصال بشبكة الكهرباء طوال الوقت.

وإذا طبقنا هذا التصور على النطاق الواسع لعدد كبير من المستخدمين، فسيوفر هذا كثيراً من الطاقة التي تولدها محطات توليد الطاقة الكبيرة وأيضاً تجعل المستخدم يستفيد استفادة قصوى من أجهزته المحمولة، أو حتى أن تتحسن نوعية حياته بشكل كبير في حالة التطبيقات الطبية المحتملة.







كما أن تقنيات حصد الطاقة ستكون الوسيلة الفعالة لتزويد للمناطق النائية والدول النامية بالتقنية، حيث لا يتمتع معظم سكانها بكهرباء تصل لمنازلهم إما لصعوبة ربط المناطق التي يعيشون فيها بشبكات الكهرباء أو لفقر تلك الدول وعجزها عن توفير الكهرباء للجميع. فمع تقنيات حصد الطاقة سيتمكن جميع سكان العالم بامكانية الوصول للتقنية، أو حتى الاستفادة من بعض الأجهزة الكهربائية الأخرى دون الحاجة للاعتماد على شبكة الكهرباء. وحسب تقرير حصد الطاقة 2012، فإن تقنيات حصد الطاقة (الشمسية ومن جسم الإنسان) قد بدأت بالفعل بالوصول لعديد من الدول النامية في قارتي إفريقيا وأمريكا الجنوبية.

ولكن هذا لا يعني أن حصد الطاقة من البشر سيكون فقط لهذه التطبيقات المحدودة، بل إن الطموح المستقبلي لدمج جميع مستخدمي تقنيات حصد الطاقة مع شبكات الكهرباء الأساسية عن طريق تحسين أرضيات الكهرباء الانضغاطية لتصبح ذات فعالية أكبر، وتطوير شبكات الحساسات اللاسلكية لتصبح ذات مدى أوسع. وهذه المساعي ليست بعيدة التحقق، فوفق التقرير الخاص بحصد الطاقة للعام الجاري 2017، سنشهد بحلول العام 2027 طفرة في هذه التقنيات التي ستغير كثيراً في حياتنا للأفضل.

إن الهدف المستقبلي الكبير لهذه التقنيات ككل هو أن تتكامل مع حياة الأفراد بشكل كامل وتلقائي وتصبح جزءاً منها، بحيث تصبح عملية حصد الطاقة من الأفراد جزءاً من حياتهم يحصل بشكل تلقائي وفعَّال. ونطاق حصد الطاقة لا يزال في بدايته، ولكن من الواضح أنه يسير بوتيرة متسارعة نحو هذا الهدف.

ساعد في النشر والارتقاء بنا عبر مشاركة رأيك في الفيس بوك

المصدر: منتديات حبة البركة - من قسم: كمبيوتر وتكنولوجيا