Dwa laboratoria. Dwa kontynenty. Jeden problem: jak ubrać elektronikę w zasilanie, które nie potrzebuje baterii.

Po jednej stronie zespół z Hebei University of Technology i Penn State — Li Yang i Huanyu Cheng. Po drugiej — Lin Zhang z Chińskiej Akademii Nauk, Xiao-Lei Shi z Queensland University of Technology i Zhi-Gang Chen z Brisbane. Cel jest ten sam: termoelektryczny generator, który zamienia ciepło ciała w prąd, elastyczny jak tkanina, na tyle wydajny, żeby napędzać prawdziwe urządzenia.

Dwie filozofie. Dwa materiały. Jeden zwycięzca. Na razie prowadzenie zmienia się z każdą publikacją.

Runda pierwsza: Graphene pokazuje pazury

Zespół Yang i Chenga publikuje w Nature Communications w styczniu 2025. Ich podejście jest śmiałe w swojej prostocie: bierzesz folię poliimidową, taką samą jakiej używa się w elektronice drukowanej, i przepuszczasz po niej wiązkę lasera. W miejscu naświetlania tworzy się porowata trójwymiarowa pianka grafenowa. Zalewasz ją elastomerem, odrywasz od podłoża, i masz rozciągliwy sensor grubości 300 mikrometrów.

Kluczowy trik: do pianki grafenowej dodają PEDOT:PSS, przewodzący polimer. Elektrony π z grafenu wchodzą w koniugację π-π z łańcuchami polimeru, wymuszając ich uporządkowanie. Efekt? Współczynnik Seebecka (miara tego, jak skutecznie materiał zamienia różnicę temperatur na napięcie) skacze z 9,7 do 37,3 μV/°C. Czterokrotny wzrost.

Ale to nie wydajność energetyczna jest tu gwiazdą. To zdolność do wykrywania i rozdzielania dwóch różnych bodźców jednocześnie.

Sensor Yang i Chenga mierzy jednocześnie temperaturę i naprężenie, rozdzielając oba sygnały bez zakłóceń. Rozdzielczość temperatury: 0,5°C. Czynnik tensometryczny (gauge factor): 1401,5: to jak waga, która wyczuwa nie tylko że położyłeś na niej kartkę papieru, ale że zgiąłeś ją o ćwierć milimetra. Rozciągliwość: 45%. I wszystko to bez baterii, zasilane wyłącznie gradientem temperatury między skórą a otoczeniem.

Zespół demonstruje dwie aplikacje: monitorowanie gojenia ran in vivo (sensor przyklejony na skórę śledzi temperaturę i naprężenie tkanki) oraz samozasilający się alarm przeciwpożarowy w odległych lokalizacjach. Całość wykonana z materiałów kosztujących grosze: folia poliimidowa, laser CO₂, trochę PEDOT:PSS. To nie jest technologia, która potrzebuje clean roomu za milion dolarów.

Rys. 1. Proces wytwarzania porowatej pianki grafenowej metodą bezpośredniego skrybowania laserowego (laser direct writing) na folii poliimidowej, a następnie infiltracja elastomerem PDMS. Źródło: Yang L. et al., Nature Communications (2025), DOI: 10.1038/s41467-024-55790-x.

Wynik po pierwszej rundzie: Graphene 1 – Ag2Se 0.

Runda druga: Ag2Se miażdży rekord

Cztery miesiące później, maj 2025. Zespół Zhanga, Shi i Chena publikuje w tym samym Nature Communications. Ich podejście jest fundamentalnie inne, i agresywniejsze.

Zamiast grafenowej pianki, używają nanowłókien selenku srebra (Ag₂Se). Zamiast lasera, prasowanie na gorąco, które wymusza silną orientację krystaliczną (013). Orientacja ta zwiększa ruchliwość nośników ładunku. Dodają warstwę zredukowanego tlenku grafenu (rGO), która robi dwie rzeczy naraz: zwiększa przewodnictwo elektryczne i tworzy efekt filtrowania energii: blokuje elektrony o niskiej energii, podbijając współczynnik Seebecka bez obniżania przewodnictwa. To cel od dziesięcioleci termoelektryków: rozprzęgnięcie dwóch właściwości, które normalnie są ze sobą sprzężone.

Na elastyczne podłoże wybierają nylonową membranę. Wynik? Rekordowy ZT = 1,28 w temperaturze pokojowej dla elastycznego termoelektryka. Power factor: 37 μW cm⁻¹ K⁻². Przewodność cieplna poniżej 0,9 W m⁻¹ K⁻¹.

Potem składają 100 par termoelektrycznych w out-of-plane device, pionowy generator, który maksymalizuje kontakt z ciepłem ciała. Znormalizowana gęstość mocy: >9,8 μW cm⁻² K⁻²: najlepszy wynik wśród wszystkich elastycznych urządzeń na bazie Ag₂Se.

Demonstracja: generator na nadgarstku zasila termo-higrometr i zegarek. Nie sensor, tylko prawdziwe urządzenie. Żadnych baterii, żadnego ładowania przez USB: tylko ciepło ciała i grawitacja.

Rys. 2. Elastyczny generator termoelektryczny na bazie nanowłókien Ag₂Se — 100 par termoelektrycznych zasila termo-higrometr i zegarek wyłącznie z ciepła ciała. Źródło: Zhang L. et al., Nature Communications (2025), DOI: 10.1038/s41467-025-60284-5.

Wynik po drugiej rundzie: Graphene 1 – Ag2Se 1.

Punkt zwrotny

I tu pojawia się pytanie, które dzieli oba zespoły, i całą dziedzinę.

Zespół Graphene zbudował najlepszy sensor termoelektryczny na świecie. Ale jego generator nie zasili nawet diody LED. Seebeck 37,3 μV/°C to za mało: typowe urządzenie wearable potrzebuje miliwatów, nie mikrowatów.

Zespół Ag2Se zbudował najbardziej wydajny elastyczny termogenerator. Ale nie potrafi mierzyć niczego poza własnym napięciem wyjściowym. Nie rozdzieli temperatury od naprężenia. Nie wykryje pożaru.

To nie jest przypadek: to fizyka. Zwiększanie ZT wymaga maksymalizacji przewodnictwa elektrycznego i minimalizacji cieplnego. To oznacza gęste, uporządkowane struktury krystaliczne: sztywne, kruche. Zwiększanie czułości sensorycznej wymaga struktur porowatych, które deformują się pod wpływem naprężenia: to zaburza uporządkowanie i obniża ZT. Te dwie cechy są ze sobą sprzężone jak pedał gazu i hamulca w tym samym samochodzie: nie możesz wcisnąć obu jednocześnie.

Dwa zespoły optymalizowały dwie różne funkcje i oba osiągnęły rewelacyjne wyniki. Problem w tym, że rynek potrzebuje obu funkcji jednocześnie. Opaska na nadgarstek, która tylko mierzy temperaturę, jest ciekawostką laboratoryjną. Opaska, która tylko zasila LED, jest zasilaczem, nie produktem. Prawdziwy wearable musi mierzyć i działać.

Już to robią. Tylko nie w Europie.

Podczas gdy naukowcy ścigają się w laboratoriach, przemysł nie czeka. Matrix Industries (startup z Menlo Park w Kalifornii) od 2022 roku produkuje termoelektryczny generator w formie opaski na nadgarstek. Ich produkt, Matrix PowerWatch 2, działa wyłącznie na cieple ciała. Nie ma portu ładowania. Nie ma baterii do wymiany. 200 dolarów. Sprzedane w 40 krajach.

W Japonii E-ThermoGentek (spin-off Uniwersytetu w Osace) opracował cienkowarstwowy generator termoelektryczny o grubości 0,5 mm, który przy różnicy temperatur 5°C generuje 0,2 mW/cm²: wystarczająco, żeby zasilić beacon BLE. Firma zebrała 4,2 mld jenów (28 mln USD) w serii B w 2024 roku.

W Korei Południowej TEPS (Thermoelectric Power Systems), joint venture LG i KAIST, testuje generatory termoelektryczne na rurach ciepłowniczych w Seulu. Inna skala (kilowaty, nie mikrowaty), ale ta sama fizyka. Zebrali 15 mln USD w 2025 roku.

Europa? Niemiecki Fraunhofer IPM ma program badawczy "Thermoelectric Energy Harvesting for IoT". Szwajcarski ETH Zurich (laboratorium prof. Hierolda) pracuje nad termoelektrykami na podłożach tekstylnych. Ale komercyjnego produktu europejskiego nie ma. Zero.

Luka między nauką (gdzie Europa jest silna) a wdrożeniem (gdzie Europa jest nieobecna) jest tutaj szczególnie bolesna. Artykuły Nature Communications publikują Chińczycy, prototypy budują Amerykanie i Koreańczycy. Europejski przemysł, z 23% globalnego rynku elektroniki, patrzy z boku.

Polski wymiar: IoT bez baterii

Polska nie ma laboratorium pracującego nad elastycznymi termoelektrykami. Nie ma też, jeszcze, firmy, która produkuje samozasilające się sensory. Ale ma ekosystem, który ich potrzebuje.

AIUT z Gliwic dostarcza systemy IoT dla przemysłu: setki czujników na fabrycznej hali, każdy wymagający wymiany baterii co 18 miesięcy. W fabryce z 500 sensorami to 500 baterii rocznie. Termoelektryczny generator, który zbiera ciepło z silnika lub pieca, mógłby wyeliminować ten koszt w całości.

Sieć Badawcza Łukasiewicz, największa sieć instytutów badawczych w Europie Środkowej, prowadzi projekty z zakresu drukowanej elektroniki i inteligentnych tekstyliów. Łukasiewicz-ITR (Instytut Tele- i Radiotechniczny) pracuje nad elastycznymi podłożami elektronicznymi. Łukasiewicz-IMP (Instytut Mechaniki Precyzyjnej) nad cienkowarstwowymi powłokami. Żaden z tych projektów nie używa jeszcze termoelektryków do zasilania. Ale know-how jest na wyciągnięcie ręki.

Politechnika Wrocławska (Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki) ma laboratorium cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych i termoelektrycznych. Prof. Krzysztof Gajewski i jego zespół badają tellurek bizmutu (Bi₂Te₃), klasyczny materiał termoelektryczny, pod kątem zastosowań w mikrogeneratorach. To inna skala niż elastyczne wearable, ale kompetencje sąsiednie.

Comarch Healthcare, Nestmedic (Pregnabit), Sidly (polskie firmy medtech) budują urządzenia do zdalnego monitorowania pacjentów. Każde z nich używa baterii. Każde musiałoby być ładowane lub wymieniane co kilka dni. Samozasilający się plaster termoelektryczny, nawet o skromnej mocy, zmieniłby model użytkowania z "pamiętaj o ładowaniu" na "załóż i zapomnij".

Finansowanie? PARP Ścieżka SMART 2026 oferuje do 15 mln zł na projekty B+R w obszarze elektroniki drukowanej i IoT. NCBR planuje konkurs na technologie materiałowe dla energetyki rozproszonej. Jeśli połączyć kompetencje Łukasiewicza (substraty), PWr (cienkowarstwowe termoelektryki) i Comarchu (integracja z platformą medyczną), powstaje konsorcjum gotowe do aplikowania.

Jest jeszcze jeden wymiar: geopolityczny. Tellur, bizmut i selen to pierwiastki krytyczne. Chiny kontrolują 60% światowego wydobycia telluru i 70% selenu: kluczowych składników Bi₂Te₃ i Ag₂Se. Amerykański Departament Energii umieścił tellur na liście "critical materials" w 2025 roku. Unia Europejska (w Critical Raw Materials Act) klasyfikuje bizmut jako surowiec strategiczny. Polska, z KGHM jako jednym z największych producentów miedzi na świecie, odzyskuje tellur i selen jako produkty uboczne przy rafinacji miedzi. To pozycja, której nie ma nikt inny w Europie Środkowej.

Czyli: Polska ma surowiec. Ma instytuty. Ma firmy, które potrzebują tej technologii. Brakuje tylko jednego: decyzji, żeby w to wejść.

Werdykt

Pojedynek Graphene kontra Ag2Se nie ma jednego zwycięzcy. Ma dwóch, i obaj wygrywają w różnych kategoriach.

Graphene wygrywa tam, gdzie liczy się informacja: czujniki pożarowe, opatrunki monitorujące gojenie, protezy z dotykiem. Ag2Se wygrywa tam, gdzie liczy się moc: smartwatche bez ładowarki, sensory przemysłowe bez wymiany baterii, urządzenia medyczne pracujące latami.

Następna runda (która prawdopodobnie już trwa w laboratoriach) to hybryda: generator Ag2Se jako źródło zasilania + sensor grafenowy jako warstwa detekcyjna. Albo jeszcze śmielej: materiał, który łączy obie funkcje w jednej strukturze: porowaty dla czułości, ale na tyle uporządkowany, żeby generować użyteczną moc.

Stawka? IDTechEx szacuje rynek termoelektrycznych generatorów dla wearables na 1,2 mld USD do 2030 roku. Do tego rynek samozasilających się sensorów IoT: 4,5 mld USD. Kto pierwszy rozwiąże paradoks "albo czułość, albo moc", ten zgarnie oba.

Deadline? 2028. Do tego roku Komisja Europejska planuje wdrożenie dyrektywy bateryjnej, która wymusi na producentach elektroniki noszonej łatwą wymienialność baterii, albo ich eliminację. Termoelektryczny generator, który działa bez baterii, przestaje być ciekawostką laboratoryjną. Staje się wymogiem regulacyjnym.

Polska ma dwa lata. Ma surowiec. Ma instytuty. Ma firmy, które potrzebują tej technologii. Ma 15 mln zł w Ścieżce SMART i konsorcjum, które mogłoby po nie sięgnąć. Pytanie nie brzmi "czy to zadziała". Pytanie brzmi "kto pierwszy to zbuduje, i gdzie".

Źródła

Yang L. et al., Thermoelectric porous laser-induced graphene-based strain-temperature decoupling and self-powered sensing. Nature Communications 16, 792 (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55790-x
Zhang L. et al., High-performance Ag₂Se-based thermoelectrics for wearable electronics. Nature Communications 16, 5002 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60284-5
IDTechEx, Thermoelectric Harvesting for Wearables 2025-2035. IDTechEx Research