Kuvittele lämpötila-anturi, joka ei koskaan tarvitse paristoa. Pieni. Hiljainen. Seinällä lähes näkymätön. Se ottaa virtaa juuri siitä johtojen huminasta pistorasiojesi takana.
Arkansasin yliopiston ja Michiganin yliopiston tutkijat rakensivat juuri sellaisen: grafeenipohjaisen energiankerääjän, joka vangitsee vaihtovirtajohdoissa esiintyvät heikot magneettikentät ja muuntaa ne käyttökelpoiseksi sähköksi. Laite toimii nanowattitason tehoilla, eli miljardisosia wattista, joten se ottaa energiaa hitaasti ja älykkäästi.
Tässä miten se toimii. Vaihtovirtaverkon päälle syntyy matalataajuinen magneettikenttä (Yhdysvalloissa 60 hertsi), koska virta vaihtaa suuntaansa 60 kertaa sekunnissa. Pieni grafeeni-induktori poimii tämän kentän ja tuottaa vaihtovirtaisen sähkösignaalin. Erikoiskytkin oikaisee signaalin tasavirraksi ja syöttää kondensaattoreille, jotka varastoivat varauksen. Toisin kuin paristot, nämä kondensaattorit säilyttävät energiaa sähkökentässä kemiallisen muodon sijasta, joten niitä voidaan täyttää toistuvasti johtojen lähellä olevista heikoista ympäristökentistä.
Koska anturin elektroniikka kuluttaa energiaa hitaammin kuin induktori voi täyttää kondensaattoreita, järjestelmä voi ylläpitää energiavarannon. Paul Thibado, fysiikan professori Arkansasin yliopistosta ja hankkeen johtohahmo, arvioi että varastoitunut varaus voisi pitää anturin käynnissä vähintään päivän sähkökatkon aikana ja joissain tilanteissa venyttää toimintaa kohti viikkoa. Pienet marginaalit, toki. Mutta riittävä siirtymään hauraista prototyypeistä kohti kestävämpiä laitteita.
Tämä ei ole tiimin ensimmäinen kosketus grafeeniin ja autonomisiin antureihin. Aiemmat tutkimukset osoittivat, että grafeenipohjaiset aurinkokennot voivat myös ajaa erittäin vähävirtaisia lämpötilanseurantalaitteita. Grafeeni, hiilen yhden atomin paksuinen hilaverkko, omaa poikkeuksellisia sähkön- ja mekaanisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä erinomaisen valinnan heikon ympäristöenergian keräämiseen (olipa lähteenä valo, liike, lämpö tai ympäröivät sähkömagneettiset kentät).
Tutkijat näkevät antureita, jotka yhdistävät useita tällaisia kerääjiä. Auringonvalossa oleva anturi voisi yöksi siirtyä johdoista peräisin olevaan energiaan. Liikettä paljon sisältävä laite voisi hyödyntää kinetistä energiaa, kun auringonvalo on niukkaa. Ajatus on redundanssi: jos yksi lähde ehtyy, toinen pitää laitteen toiminnassa. Yhdistä useita energiankerääjiä ja erittäin vähävirtainen elektroniikka, niin saat antureita, jotka voivat hiljaisesti kerätä tietoa vuosien ajan.
Lämpötilan mittaus on välitön koekenttä, mutta vaikutukset ovat laajemmat. Ajattele kaukana sijaitsevia maatalousantureita pelloilla, ympäristönseurantapisteitä metsissä ja kosteikoissa, lääkinnällisiä seurantalaitteita, jotka eivät vaadi tavanomaisia paristojen vaihtoja, tai logistiikkatunnisteita, jotka valvovat olosuhteita pitkillä kuljetusreiteillä. Jokaisessa tapauksessa paristojen vaihtotyö ja jätteet vähenisivät merkittävästi, ja järjestelmät voitaisiin ottaa käyttöön paikoissa, joissa huolto on kallista tai epäkäytännöllistä.
Tutkimus, joka on julkaistu Journal of Vacuum Science and Technology B -lehdessä, luettelee MD Rezaul Kabirin, tohtorikoulutettavan Arkansasin yliopistosta, ensimmäisenä kirjoittajana. Hankkeessa on yhteistyökumppaneita Michiganin yliopistosta, erityisesti sähkötekniikan ja tietojenkäsittelyopin professori David Blaauw, jonka osaaminen vähävirtaisissa langattomissa antureissa auttoi muotoilemaan elektroniikkaa, joka toimii näillä hyvin pienillä tehomäärillä.
Kaupallistamisen saralla NTS Innovationsilla on yksinomainen lisenssi grafeenin energiankeruuseen liittyvään teknologiaan, ja se on ohjannut patentti- ja liiketoiminnan kehitystä. Yli 60 osapuolta on jo ilmaissut kiinnostuksensa järjestelmän testaamiseen, mikä auttaa tiimiä hioomaan minimitehovaatimuksia ja käytännön käyttötapauksia.
On helppo kutsua tätä vaatimattomaksi edistysaskeleeksi. Mutta kun laitteet eivät enää vaadi säännöllisiä paristojen vaihtoja, käyttöönoton strategiat muuttuvat. Huoltoaikaistukset lyhenevät. Tietovajeet pienenevät. Lupaus on houkutteleva: hajautettu joukko antureita, jotka hiljaisesti kuuntelevat ympäristöään ja raportoivat vuosien ajan ilman vaivaa. Kuka ei haluaisi tietää, miltä maailma tuntuu, kun anturit lakkaavat pyytämästä paristoja?
"Olen biologi ja intohimoni on luonnon monimuotoisuus. Genomissa kirjoitan uusimmista tutkimuksista ja ympäristönsuojelusta."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.