Za oceanem skonstruowano plecak, który podczas wędrówki produkuje energię elektryczną. - Nie spodziewaliśmy się, że będzie tak wydajny - przyznają zaskoczeni autorzy niezwykłego wynalazku

Kluczowym elementem plecaka jest zaopatrzony w sprężyny stelaż, który zamienia energię mechaniczną pionowego ruchu niesionego bagażu na elektryczną - tłumaczy Lawrence Rome z Laboratorium Biologii Morskiej w Woods Hole (USA), szef jednego z dwóch zespołów, które pracowały nad nietypowym plecakiem. Wyniki tych prac przedstawia dziś w dwóch artykułach "Science".

Rome na produkcji prądu zna się słabo, za to ma doskonałą wiedzę o tym, jak pracują mięśnie. Dlatego plecak, który powstał z jego walnym udziałem, doskonale poprawia sposób chodzenia i redukuje zmęczenie. - Produkowana przy okazji elektryczność może uwolnić od ciężaru zapasowych baterii pracujących w terenie naukowców, odkrywców i ratowników. Tym samym zwiększy ich możliwości podczas wędrówek po bezdrożach - mówi.

Eksperci od bioinżynierii od dawna eksperymentowali z systemami pozyskiwania energii elektrycznej dzięki pracy ludzkiego ciała podczas marszu. Prawie cały wysiłek, jaki wykonuje piechur, dotyczy jego samego: energia pochodząca z metabolizmu praktycznie nie opuszcza ciała po zamianie w energię mechaniczną, praca jednej nogi jest po chwili niemal w całości niwelowana przez drugą nogę. I tak krok za krokiem.

Żeby skonstruować dynamo dla piechura, rozważano już doczepianie na pół zrobotyzowanego zewnętrznego szkieletu lub nawet chirurgiczne wszczepianie różnorakich urządzeń zakończonych gniazdkiem... Spośród mniej kontrowersyjnych projektów wyróżniają się próby pozyskiwania prądu za pomocą aparatury ukrytej w obcasach. Jednak niewielkie rozmiary takiego buta z ładowarką uniemożliwiają osiągnięcie spektakularnych wyników, zwłaszcza że koturny nie mają zastosowania na długich dystansach. Dlatego Rome i jego koledzy zwrócili się w inną stronę.

Jak w zegarku

Pomysł, który postanowili wykorzystać, jest z powodzeniem stosowany od dawna w zegarkach kwarcowych ładujących się w wyniku najdrobniejszych ruchów ręki. Tam maleńka prądnica napędzana jest przez ukryte wahadełko. - Żeby jednak naładować coś więcej niż zegarek - np. telefon satelitarny, zestaw GPS, laptopa, odtwarzacz MP3 i może jeszcze trochę specjalistycznego sprzętu badawczego - potrzebne jest większe wahadło. Ale nawet niestrudzony wędrowiec nie będzie nosił na nadgarstku 30 kg - zauważa Rome.

Znaczna masa poruszająca się pionowo to niedostrzegane dotąd źródło energii mechanicznej i szansa na generowanie elektryczności - zauważyli naukowcy. Idący człowiek zachowuje się jak odwrócone wahadło. Przy każdym kroku biodra unoszą się kilka centymetrów, by znowu opaść podczas przenoszenia ciężaru na drugą nogę. To samo dzieje się z niesionym na plecach ładunkiem.

Naukowcy zainteresowali się przypadkami, gdy plecak jest solidnie załadowany, a tak właśnie jest, gdy wyruszamy na długą wyprawę. Każdy krok z 36-kilogramowym obciążeniem, które unosi się na 5 cm, to 18 J energii, którą można wykorzystać. I to właśnie postanowili zrobić badacze. Podwiesili plecak na stelażu za pomocą szyn i sprężyn, dzięki czemu w czasie marszu może on oscylować i napędzać zamocowaną nieruchomo prądnicę. Urządzenie poddano serii testów, żeby ustalić, ile prądu może wyprodukować i jak bardzo męczy niosących je ludzi.

Wyniki przerosły oczekiwania naukowców. Uzyskiwana moc rosła wraz z tempem marszu i masą plecaka. Ponadto mniejsze, 20-kilogramowe obciążenie sprawdzało się lepiej na pochyłym terenie. Udało się wyprodukować prąd o mocy ponad 7 W (300 razy więcej od dotychczasowych osiągów zasilaczy umieszczonych w obcasie). Wystarczy to do zasilania wszystkich potrzebnych urządzeń, a nawet do ładowania ich akumulatorów.

Okazało się jednocześnie, że wydatek energetyczny piechura mierzony zużyciem przez niego tlenu jest tylko nieznacznie wyższy w porównaniu z dźwiganiem tego samego plecaka z nieruchomym ładunkiem. Rozważaniom, dlaczego plecak produkuje prąd niemal za darmo, poświęcono wnikliwe studia zakończone dodatkowym artykułem w "Science". Naukowcy przyznają, że nadal nie wiedzą dokładnie, na czym polega fenomen ich wynalazku, bo przecież perpetuum mobile nie istnieje i energia nie pojawia się znikąd.

Zamiast treningu u Kikujusek

Wygląda na to, że wahania ładunku - o ułamek sekundy opóźnione w stosunku do ruchu bioder - tak zmodyfikowały sposób chodzenia, że umożliwiły znaczną oszczędność energii zużywanej na sam marsz z obciążeniem. Zaskoczeni biolodzy przyznają, że dokładne zrozumienie tego zjawiska wymaga dalszych wnikliwych testów. Zawiązano też spółkę Lightning Packs, która uzyskała odpowiednie patenty, będzie nadal testować zdumiewający prototyp i rozwijać projekt. Dążą do tego, by plecak ważył tylko kilogram i chłodził piechura specjalnym systemem wentylacyjnym, który zastąpiłby sprężyny w stelażu.

Efekt przywodzi na myśl Afrykanki, które przenoszą ciężary na głowie, umiejętnie balansując ciałem, tak że niemal się przy tym nie męczą. Z punktu widzenia ich metabolizmu ciężar na głowie nie istnieje, co fascynuje badaczy ze względu na brak strat przy naprzemiennej zamianie energii kinetycznej w potencjalną.

Teraz - zamiast wieloletniego treningu u Kikujusek - plecak z podwieszonym na sprężynach ładunkiem pomoże zoptymalizować energetycznie długie piesze wyprawy, dostarczając jednocześnie zasilanie dźwiganej elektronice. - W miejsce zapasowych baterii trzeba będzie zabrać troszkę więcej jedzenia. Ale tylko odrobinkę - uspokaja Rome.