Исследователи разработали необычную систему автономного энергоснабжения, способную получать электричество от электромагнитных полей, возникающих вокруг обычной электропроводки. В основе технологии — графеновый элемент, улавливающий энергию окружающего излучения. Полученной мощности достаточно, чтобы непрерывно питать миниатюрный датчик температуры без батареек и подключения к электросети.
Разработка может стать важным шагом к созданию нового поколения беспроводных сенсорных устройств, которым не потребуется регулярная замена элементов питания или прокладка дополнительных кабелей.
Как работает датчик, которому не нужна батарейка?
Над технологией работала международная исследовательская группа из Университета Арканзаса и Мичиганского университета. Учёные создали компактный сборщик энергии (energy harvester), который преобразует электромагнитные колебания вокруг работающей электропроводки в электрический ток.
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции — том же физическом эффекте, который используется в электрогенераторах и трансформаторах.
Когда по проводу проходит электрический ток, вокруг него возникает магнитное поле. Если используется переменный ток, направление и интенсивность этого поля постоянно меняются. В американской электросети, на которой испытывали разработку, частота таких колебаний составляет 60 Гц, то есть магнитное поле меняется 60 раз в секунду.
Исследователи научились улавливать часть этой энергии с помощью специального индуктора на основе графена. В его конструкцию также включили стальной сердечник, повышающий эффективность взаимодействия с магнитным полем.
Когда устройство располагают рядом с электрическим кабелем, изменяющееся магнитное поле индуцирует в катушке небольшое переменное напряжение. Таким образом, система получает электричество без непосредственного подключения к источнику питания.
Как слабый сигнал превращается в полезную энергию?
Однако поймать электромагнитные колебания — только половина задачи. Получаемый сигнал слишком слаб, чтобы напрямую питать электронные компоненты. Кроме того, он представляет собой переменный ток, тогда как большинство электронных устройств работает от постоянного.
Для решения этой проблемы учёные разработали специальную схему преобразования энергии на основе умножителя напряжения Кокрофта — Уолтона (Cockcroft–Walton voltage multiplier).
Она выполняет сразу две функции: преобразует переменный ток в постоянный и постепенно повышает напряжение до уровня, необходимого для работы датчика.
Вместо обычного аккумулятора исследователи использовали три конденсатора. Они накапливают электрический заряд, полученный от графенового индуктора, а затем постепенно отдают его подключённой электронике.
По словам разработчиков, система собирает энергию быстрее, чем датчик расходует её. Благодаря этому накопленный заряд постоянно восполняется, позволяя устройству работать практически непрерывно.
Потребление энергии в миллионы раз меньше, чем у наушников
Ещё одна важная особенность разработки — чрезвычайно низкое энергопотребление.
Даже после преобразования и повышения напряжения доступной мощности недостаточно для работы обычной электроники. Поэтому исследователям пришлось создать специальный температурный датчик, рассчитанный на минимальное потребление энергии.
Он работает в нанова́ттном диапазоне, то есть использует миллиардные доли ватта. Для сравнения: по оценке авторов исследования, его энергопотребление примерно в 30 миллионов раз ниже, чем у одного наушника AirPods.
Несмотря на крайне небольшую мощность, этого достаточно для выполнения конкретной задачи — измерения температуры.
Более того, накопители энергии позволяют датчику продолжать работу даже после отключения ближайшего источника электричества. По оценке профессора Пола Тибадо (Paul Thibado), одного из создателей графенового сборщика энергии, запаса заряда должно хватить как минимум на 24 часа. При определённых условиях автономность может достигать недели.
Где пригодятся датчики без батареек?
Наиболее перспективной областью применения технологии исследователи считают промышленную автоматизацию.
Представим крупное производственное предприятие, где тысячи датчиков постоянно контролируют температуру оборудования, трубопроводов и окружающей среды. Традиционно такие устройства приходится подключать к электросети или оснащать батарейками, которые необходимо периодически менять.
Оба варианта создают дополнительные расходы и усложняют обслуживание. Особенно это касается датчиков, установленных в труднодоступных местах.
Новая технология потенциально позволит размещать подобные устройства без прокладки отдельных силовых кабелей и регулярной замены элементов питания. Достаточно, чтобы поблизости находилась электропроводка с достаточно сильным переменным магнитным полем.
Впрочем, сфера применения может оказаться гораздо шире. Разработчики рассматривают возможность использования подобных систем в устройствах для:
- отслеживания товаров и контроля логистических цепочек;
- мониторинга состояния атмосферы;
- управления транспортными и логистическими парками;
- наблюдения за состоянием почвы;
- носимой электроники и фитнес-мониторинга;
- медицинских систем наблюдения за состоянием пациентов.
Фактически речь идёт о создании автономных сенсорных сетей, отдельные элементы которых смогут получать энергию непосредственно из окружающей среды.
Почему технология пока не заменит обычные аккумуляторы?
Несмотря на впечатляющие результаты, у разработки есть несколько существенных ограничений.
Прежде всего, устройство нуждается в достаточно сильном переменном магнитном поле. Оно не способно вырабатывать электричество в произвольном месте, где поблизости нет работающей электропроводки или другого подходящего источника электромагнитной энергии.
Кроме того, исследователи пока не продемонстрировали возможность полностью автономного запуска системы из состояния, когда все накопители разряжены. Во время эксперимента конденсаторы предварительно зарядили, а управляющий процессор запрограммировали до начала работы.
Наконец, получаемая мощность настолько мала, что её хватает только для специально разработанной малопотребляющей электроники. Заряжать смартфоны, ноутбуки или другие привычные устройства с помощью такого сборщика энергии пока невозможно.
Тем не менее значение работы заключается не в создании универсального источника электричества, а в демонстрации нового способа питания маломощных электронных систем.
Исследователи уже изучают возможность получения энергии из других источников окружающей среды, включая звуковые волны, солнечное излучение, тепло, движение и различные виды электромагнитного излучения. В перспективе они рассчитывают объединить несколько таких методов в единой системе энергоснабжения.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Vacuum Science and Technology.
Если дальнейшие эксперименты подтвердят эффективность подхода, подобные устройства могут сделать тысячи промышленных и бытовых датчиков практически необслуживаемыми. И хотя до появления электроники, способной самостоятельно питаться энергией буквально из воздуха, ещё далеко, учёные уже показали, что даже привычная электропроводка может стать источником питания для целой сети автономных устройств.
