Уявіть собі пристрій, менший за сірникову коробку, від якого залежить кожен удар вашого серця. Мільйони людей у світі живуть завдяки кардіостимуляторам. Але у цієї диво-технології є один критичний недолік – батарейка. Кожні 5, 7, або 10 років пацієнт змушений знову лягати на операційний стіл лише для того, щоб замінити джерело живлення. Це завжди ризик, стрес і нове навантаження на організм. А тепер уявіть, що цю проблему можна вирішити. Раз і назавжди. І що ключ до цього рішення прямо зараз знаходять у лабораторіях Івано-Франківська.
Науковці з Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника працюють над технологією, що звучить як наукова фантастика: термоелектричний генератор, здатний живити медичні імпланти, використовуючи лише… тепло самого людського тіла. Це шлях до створення “вічної батарейки”, яка перетворить ризиковані повторні операції на пережиток минулого – читаємо на frankivsk.name.
Проблема: тихий відлік літієвої батареї
Кардіостимулятор – це маленький комп’ютер, що посилає точні електричні імпульси серцевому м’язу, коли власний ритм дає збій. Це порятунок при аритміях та блокадах серця. Проте вся ця складна електроніка живиться від звичайної літієвої батарейки. І хоча вона неймовірно надійна, її ресурс обмежений.
Для пацієнта це означає життя з “тихим таймером” у грудях. Коли заряд добігає кінця, необхідна нова хірургічна операція. Хоча сама процедура заміни вважається “малоінвазивною”, вона ніколи не буває нульовим ризиком. Особливо для основної аудиторії кардіостимуляторів – людей похилого віку, чий організм і так ослаблений. Це ризики наркозу, інфекцій та ускладнень у місці імплантації.
Лікарі та інженери по всьому світу роками б’ються над питанням: де взяти енергію для імпланта всередині тіла, не розрізаючи пацієнта знову? Пробували різні підходи: від мініатюрних турбін, що працюють від кровотоку, до п’єзоелементів, які генерують струм від серцебиття. Але всі вони мають свої складнощі.
І тут на сцену виходить одна з найелегантніших ідей – термоелектрика. Ідея, яку взялися реалізувати франківські фізики.
Магія тепла: як змусити тіло живити саме себе
Що, якби джерелом енергії стало саме те, чого в людини не відібрати, доки вона жива – її тепло?
В основі розробки вчених ПНУ, зокрема команди з кафедри фізики й хімії твердого тіла під керівництвом професора Любомира Никируя, лежить явище термоелектрики, відоме науці вже понад століття. Його суть проста: якщо один кінець спеціального матеріалу (напівпровідника) нагріти, а інший залишити холодним, між ними виникне електричний струм.
Температура людського тіла стабільна – 36,6°C. Температура навколишнього середовища чи навіть сусідніх внутрішніх органів зазвичай нижча. Ця, на перший погляд, незначна різниця у кілька градусів і є тим невичерпним джерелом енергії, яке вчені ПНУ навчилися використовувати. Їхня мета – створити мініатюрний термоелектричний модуль, який, бувши імплантованим разом із кардіостимулятором, буде постійно генерувати достатньо струму для його роботи. Таке джерело живлення не потребуватиме заміни протягом усього життя пацієнта.
Це і є та сама “вічна батарейка”. Пристрій, вшитий разом із кардіостимулятором, буде 24/7, до останнього подиху людини, генерувати мікропотужність, достатню для роботи імпланта.
“Вирощування” плівок у вакуумі
Ключ до успіху – в матеріалах. На кафедрі фізики й хімії твердого тіла, яку свого часу заснував і розвинув до світового рівня професор Дмитро Фреїк, спеціалізуються на тонкоплівковому напівпровідниковому матеріалознавстві. Саме тут, у спеціальних вакуумних установках, вчені буквально “вирощують” майбутні елементи живлення.
Апарати, в яких вирощують плівки
Процес нагадує високотехнологічне мистецтво. У вакуумній камері на спеціальну підкладку шар за шаром, атом за атомом, наносяться напівпровідникові матеріали. Змінюючи швидкість нанесення, температуру та інші параметри, науковці цілеспрямовано створюють у структурі матеріалу мікроскопічні дефекти.
Як пояснює Любомир Никируй, в ідеальній структурі металу струм проходить безперешкодно. Однак за наявності дефектів чи тріщин його проходження ускладнюється, що може спричиняти побічні ефекти, як-от виділення тепла. Натомість дослідники діють навпаки: вони свідомо створюють на нанорівні таку дефектну структуру, яка добре проводить електричний струм, але при цьому є поганим провідником тепла. Вчений наголошує, що саме такий баланс властивостей є ідеальним для термоелектрики.
Перевага тонких плівок колосальна. Вони дозволяють створювати надзвичайно мініатюрні пристрої, що є критично важливим для медичних імплантів. Крім того, для їх виготовлення потрібно в тисячі разів менше дорогих матеріалів, що робить технологію потенційно доступною.
Від оборони до медицини: міжнародне визнання
Робота над термоелектричними матеріалами в ПНУ – це не просто локальний ентузіазм. Це напрямок, який отримав серйозну підтримку та визнання на міжнародному рівні, зокрема від НАТО. Ще у 2011 році професор Никируй очолив проєкт у рамках програми “Наука заради миру та безпеки” з фінансуванням у 239 000 євро. Тоді, у партнерстві з турецьким університетом Газі, франківські вчені розробляли об’ємні термоелектричні модулі для військової техніки.
Ідея полягала в тому, щоб перетворювати надлишкове тепло від двигуна танка чи бронемашини на електрику. Це одночасно вирішувало кілька завдань: зменшувало видимість техніки для тепловізорів, забезпечувало енергією бортову електроніку та економило пальне. Успішне виконання цього проєкту не лише дало цінний досвід, але й відкрило двері до світової наукової спільноти.
За словами Любомира Никируя, цей етап став вирішальним поштовхом, що дав новий імпульс для роботи його команди. Як наслідок, розпочалася активна міжнародна співпраця, зокрема серія спільних проєктів з науковцями з Польщі, Туреччини та США.
Саме на грантові кошти було закуплено сучасне обладнання вартістю понад сто тисяч євро. Хоча вчені не цураються і старих, перевірених часом приладів, які, за словами професора, “свою роботу роблять відмінно” і дозволяють здешевити розробку.
Команда майбутнього
Цей амбітний проєкт – справа не одного вченого, а цілої команди, де досвід поєднується з енергією молодості. Над створенням тонкоплівкового модуля для кардіостимуляторів працюють молоді науковці, кандидати наук. Керівник грантової програми Ярослав Яворський зазначає, що розробка ведеться у співпраці з Івано-Франківською міською клінічною лікарнею №1, що забезпечує практичний зв’язок з потребами медиків. Він наголошує, що їх мікрогенератор довготривалий, надійний, екологічно чистий та безпечний для організму людини.
Богдана Найдич, наукова співробітниця проєкту, підкреслює важливість залучення студентів до дослідницької діяльності. Вона зазначає, що це дозволяє готувати нове покоління фахівців, адже молодь отримує практичний досвід: виконує магістерські та бакалаврські роботи, навчається працювати на спеціалізованому обладнанні та співпрацює безпосередньо з науковою командою.
Майбутнє, що створюється в Франківську
Створити робочий прототип – це лише половина справи. Наступний крок – вивести продукт на ринок. І тут українська наука стикається з системними проблемами.
За словами вченого, основна проблема полягає у відсутності в Україні культури довгострокових інвестицій у науку. Він із сумом зазначає, що бізнес орієнтований на швидкий прибуток, тоді як наукові проєкти можуть окуповуватися до семи років. Простішим рішенням може бути продаж технології закордонним компаніям, які готові до запуску серійного виробництва за лічені місяці.
Попри це, науковці не опускають рук. Вони створюють стартапи, як, наприклад, термоелектричний холодильник для транспортування ліків, розроблений випускником кафедри Богданом Дзундзою. А головне – вони змінюють сам підхід до освіти. Нещодавно на факультеті відкрили освітню програму “Медична фізика”.
Любомир Никируй підкреслює, що вони прагнуть змінити освітній підхід, щоб студенти вчилися створювати медичне обладнання, а не лише ремонтувати. Продовжуючи справу Івана Пулюя, він заявляє, що майбутнє – за створенням, а не за ремонтом, який є справою минулого.
Історія розробки “вічних батарей” у стінах Прикарпатського університету – це яскравий приклад того, що велика наука може народжуватися не лише у світових мегаполісах. Це історія про людей, які, попри всі труднощі, рухають прогрес і дарують надію. І хто знає, можливо, вже за кілька років серця тисяч людей по всьому світу битимуться в унісон завдяки маленькому пристрою, створеному в Івано-Франківську.
