Графен збирає енергію з повітря для живлення сенсорів

Вчені з Університету Арканзасу та Мічиганського університету розробили інноваційний пристрій на основі графену, здатний збирати електромагнітне випромінювання навколишнього середовища та перетворювати його на електричну енергію. Ця технологія дозволяє створювати бездротові системи, які не потребують батарейок чи зовнішнього живлення, що відкриває нові можливості для розвитку інтернету речей (IoT).

Як це працює?

Принцип роботи пристрою базується на електромагнітній індукції. Коли електричний струм проходить через провідник, він створює навколо нього магнітне поле. Для змінного струму (AC), який використовується в електромережах, це поле постійно змінює свою напрямок і інтенсивність. Саме ця динаміка магнітного поля містить енергію, яку й навчилися вловлювати дослідники.

Для цього вони створили спеціальний індуктор з графену з додаванням сталевого сердечника, який посилює здатність захоплювати магнітне поле. Коли цей індуктор розташовується поблизу лінії електропередач, змінне магнітне поле наводить в ньому слабку змінну напругу. Це базовий принцип, подібний до роботи трансформаторів та генераторів.

Від збору енергії до живлення сенсора

Однак, отриманий слабкий змінний сигнал недостатній для прямого живлення електронних компонентів. Тому вчені розробили систему, що складається з кількох ключових елементів:

• Енергетичний збирач: Індуктор на основі графену, що захоплює енергію з навколишнього електромагнітного поля.
• Схема перетворення енергії: Використовується схема помноження напруги Кокрофта-Волтона для випрямлення змінного струму в постійний (DC) та поступового підвищення його рівня до необхідного для сенсора.
• Система накопичення енергії: Замість традиційних акумуляторів, використовуються три конденсатори, які поступово накопичують зібрану енергію.
• Наднизькоспоживаючий сенсор температури: Центральним елементом системи є спеціально розроблений температурний сенсор, який споживає надзвичайно малу кількість енергії – на рівні нановатів (мільярдних часток вата). Для порівняння, це приблизно в 30 мільйонів разів менше, ніж споживає один навушник AirPods.

Швидкість, з якою індуктор поповнює заряд конденсаторів, перевищує швидкість споживання енергії сенсором. Це забезпечує безперервну роботу системи, доки поблизу існує достатнє електромагнітне поле. Навіть у випадку тимчасового зникнення живлення, конденсатори можуть підтримувати роботу сенсора протягом 24 годин, а потенційно – до тижня, завдяки накопиченому заряду.

“Швидкість, з якою індуктор поповнює ці конденсатори, повільніша, ніж швидкість, з якою сенсор споживає заряд з конденсаторів. Тому система все ще може отримувати заряд з конденсаторів, навіть якщо живлення вимкнене. За нашим дизайном, вона може легко працювати 24 години, а можливо, й до тижня,” – зазначає професор Пол Тібадо, один із розробників.

Потенційні сфери застосування

Ця технологія має величезний потенціал для застосування у промислових масштабах, особливо на підприємствах з великою кількістю обладнання. Тисячі температурних сенсорів можуть бути розгорнуті для моніторингу машин, трубопроводів та навколишнього середовища, усуваючи потребу у складній прокладці кабелів або частій заміні батарей.

Інші потенційні сфери застосування включають:

• Відстеження продукції
• Моніторинг стану навколишнього середовища
• Управління логістичними автопарками
• Моніторинг стану ґрунту
• Носимі фітнес-трекери
• Медичний моніторинг

Обмеження та майбутні перспективи

Незважаючи на значні досягнення, технологія має певні обмеження. По-перше, пристрій потребує близькості до джерела сильного, змінного магнітного поля, тобто працюючої лінії електропередач. Він не здатен генерувати енергію “з повітря” у будь-якому місці.

По-друге, дослідники ще не продемонстрували, чи зможе система самостійно запуститися з повного розряду. У проведених експериментах конденсатори вже були заряджені, а процесор попередньо запрограмований.

По-третє, вихідна потужність системи наразі знаходиться на рівні нановатів, що дозволяє живити лише спеціально розроблені наднизькоспоживаючі сенсори. Отже, найближчим часом не варто очікувати “зарядки з повітря” для смартфонів.

Наразі команда досліджує можливість отримання енергії з інших джерел, таких як звукова енергія, сонячна енергія, теплова енергія, кінетична енергія та інші види випромінювань. Кінцева мета – створення автономних сенсорних систем, здатних отримувати живлення з різноманітних джерел навколишнього середовища, що не потребують зовнішнього живлення.

Результати дослідження опубліковані в журналі Journal of Vacuum Science and Technology.

Джерело: https://www.ithome.com/1/023/882.htm