Американские специалисты работают над сенсором, способным обеспечивать питание датчиков на протяжении минимум суток без использования аккумуляторов. Устройство генерирует электричество на месте, расходует порядка нескольких нановатт и в перспективе может функционировать автономно до недели.
Ирина Медведева
Пайка датчика на основе графена. Источник: Университет Арканзаса/ Рассел Котрен
Группа исследователей из США, занимающаяся созданием датчиков без элементов питания, сконструировала прибор на базе графена, превращающий энергию фонового излучения в электрический ток, которого достаточно для работы температурного сенсора с крайне низким энергопотреблением.
Благодаря такой технологии датчик сохраняет работоспособность не менее 24 часов после прекращения подачи электричества.
Нынешний прототип стал вторым автономным датчиком, разработанным командой — после устройства на графене, питающегося от солнечного света. Оба прибора относятся к более крупному проекту по созданию сенсоров, получающих энергию из разнообразных источников окружающей среды вместо привычных батарей.
Энергия берется из локальных источников
Исследование физиков и материаловедов из Университета Арканзаса и Мичиганского университета нацелено на выполнение трех основных условий, предъявляемых к сенсорам нового поколения.
По мнению авторов работы, устройства должны получать питание на месте, расходовать лишь несколько нановатт и функционировать без вмешательства человека на протяжении многих лет, а возможно, и десятилетий. Как утверждают ученые, последний датчик, работающий за счет фонового излучения, отвечает всем трем требованиям.
В отличие от стандартных беспроводных сенсоров с батарейным питанием, новый прибор улавливает энергию, которая уже присутствует в обычной среде.
Пол Тибадо, физик из Университета Аризоны, начавший изучать свойства графена почти десять лет назад, отмечает, что в современных домах фоновое электромагнитное излучение возникает из-за электропроводки.
Датчик применяет графеновый индуктор для сбора энергии магнитных полей, создаваемых линиями электропередач. Затем эта энергия проходит через цепь, преобразуется в полезное электричество и накапливается в конденсаторах, от которых питается температурный сенсор, пояснил он.
Тибадо также уточнил, что конденсаторы заряжаются быстрее, чем разряжаются, поэтому датчик продолжает работать даже при отключении электричества.
«Индукционная катушка постепенно заряжает конденсаторы, но делает это быстрее, чем сенсор расходует накопленную в них энергию», — добавил он.
По словам Тибадо, накопленного заряда может хватить для функционирования датчика как минимум сутки при перебоях с питанием, а в зависимости от условий эксплуатации — и до семи дней.
Стоит отметить, что в основе разработки лежит не только физика графена, но и пересмотр самого подхода к энергоснабжению сенсорных сетей.
Традиционно проектировщики систем мониторинга отталкиваются от емкости батареи: именно она задает срок службы устройства и частоту обслуживания. В случае с новым датчиком логика меняется — устройство непрерывно подпитывается от среды, а накопленный заряд служит буфером на случай перебоев.
Такой буфер, по оценкам команды, способен покрывать суточные и даже недельные паузы в поступлении энергии, что для многих сценариев применения сопоставимо с автономностью небольших аккумуляторов, но без сопутствующих ограничений по замене и утилизации.
Отдельного внимания заслуживает вопрос о количестве доступной энергии. Фоновое электромагнитное излучение от бытовой проводки и линий электропередач имеет низкую плотность, поэтому собранный ток исчисляется нановаттами. Этого недостаточно для передачи данных по стандартным радиоканалам, но вполне хватает для простых измерений и накопления результатов.
Именно поэтому первым демонстрационным приложением стал температурный сенсор с крайне низким энергопотреблением: он фиксирует показания, а накопленного заряда хватает на поддержание работы в периоды, когда внешний источник энергии недоступен.
Для более сложных задач, требующих периодической беспроводной передачи, потребуется либо повышение эффективности сбора, либо сочетание нескольких источников.
Экономично и экологично
Помимо увеличенного срока работы, безбатарейная конструкция сокращает потребность в регулярном обслуживании. Поскольку менять элементы питания не требуется, снижаются расходы на сервис, трудозатраты и количество отходов в виде батарей.
В своем заявлении Тибадо описал такой подход как «установил и забыл», подчеркнув, что отсутствие необходимости в замене батарей упрощает применение датчиков там, где регулярное обслуживание затруднено.
Хотя исследователи продемонстрировали технологию на примере температурного сенсора, они рассчитывают расширить область применения автономных сенсорных систем.
Среди возможных сфер — контроль товаров при перевозке, отслеживание параметров окружающей среды, например температуры почвы и воздуха, управление логистическими парками, носимые фитнес-устройства и системы мониторинга здоровья.
Во всех этих случаях замена элементов питания превращается в отдельную логистическую задачу. Безбатарейные сенсоры устраняют необходимость регулярных выездов обслуживающего персонала, снижают трудозатраты и сокращают объем отходов, связанных с утилизацией источников питания.
Принцип «установил и забыл», о котором говорят авторы, в первую очередь означает именно сокращение операционных издержек, а не отказ от контроля за работой устройств.
В дальнейшем команда намерена объединить несколько графеновых технологий сбора энергии в одном датчике. Помимо фонового излучения, будущие устройства смогут питаться от солнечного света, тепла, звука, движения и других источников окружающей среды. Использование нескольких источников позволит сенсорам сохранять работу, даже если один из них станет недоступен, что повысит надежность приборов при перебоях с электричеством и других проблемах.
Последнее направление команда считает ключевым. Объединение графеновых преобразователей, работающих от света, тепла, звука и движения, позволит компенсировать нестабильность каждого отдельного источника.
В помещении с искусственным освещением основным поставщиком энергии может стать фоновое электромагнитное поле, на улице — солнечный свет и перепады температуры, а в носимых устройствах — движение тела.
Такая избыточность повышает надежность: если один канал перестает работать, устройство продолжает функционировать за счет остальных. Исследователи рассматривают это как условие перехода от единичных прототипов к массовым сенсорным системам, рассчитанным на десятилетия эксплуатации без вмешательства человека.
Исследователи полагают, что подобные датчики с несколькими источниками питания способны функционировать десятилетиями практически без обслуживания, что поможет расширить возможности Интернета вещей (IoT) за счет создания долговечных интеллектуальных устройств.
Вместе с тем переход от лабораторного прототипа к серийному производству потребует решения ряда инженерных задач. К ним относятся стабильность характеристик графена при длительной эксплуатации, воспроизводимость технологии на масштабе, а также интеграция накопителей и схем преобразования в компактный корпус.
Кроме того, необходимо оценить, насколько предсказуемо поведение устройства в реальных условиях, где уровень фонового излучения меняется в широких пределах.
Тем не менее выбранное направление согласуется с общей тенденцией развития Интернета вещей, где ставка делается на распределенные сети маломощных автономных устройств, способных работать годами без внешнего питания и технического обслуживания.
Кстати, в Соединённых Штатах разработана технология извлечения оксида графена и водорода из природного газа, что открывает новые возможности для создания аккумуляторов и электронных устройств.
А исследовательская группа из Китая представила инновационный катализатор на основе графена, который доводит КПД цинк-воздушных аккумуляторов практически до 98 % и обеспечивает их бесперебойную работу свыше 820 часов.
