Дослідники з Університету Арканзасу розробили датчик температури, який отримує енергію з магнітного поля навколо електропроводки зі змінним струмом. Технологія дає змогу накопичувати електроенергію без традиційної батарейки та потенційно забезпечувати роботу пристрою протягом тривалого часу навіть після вимкнення електрики.
Результати дослідження опублікували в Journal of Vacuum Science and Technology B. Науковці розглядають розробку як один із кроків до створення автономних сенсорів, яким не потрібна регулярна заміна джерел живлення.
Як датчик отримує енергію з електропроводки
Технологія використовує магнітні поля, які виникають навколо проводів зі змінним струмом. У США, наприклад, стандартна частота електромережі становить 60 Гц, тобто напрямок струму змінюється 60 разів на секунду.
Спеціальний індуктор на основі графену вловлює енергію цього поля та передає електричний сигнал до спеціально розробленої схеми. Вона перетворює змінний струм на постійний, яким заряджаються конденсатори.
На відміну від батарей, конденсатори накопичують енергію в електричному полі, а не внаслідок хімічних реакцій. Це дає змогу створити резерв електроенергії, який живить датчик тоді, коли надходження енергії з навколишнього середовища зменшується або припиняється.
Професор фізики Університету Арканзасу Пол Тіба́до пояснив, що конденсатори заряджаються повільно, але система збирає енергію швидше, ніж датчик її витрачає.
За оцінкою дослідника, накопиченого заряду може вистачити щонайменше на 24 години роботи під час відключення електроенергії, а за сприятливих умов — потенційно до тижня. Це прогнозована автономність, а не гарантія однакового часу роботи за будь-яких умов.
Чому в розробці використовують графен
Графен — це матеріал, утворений одним шаром атомів вуглецю. Його електричні властивості роблять його перспективним для систем збирання енергії та малопотужної електроніки.
Нова розробка стала другим датчиком температури на графені, створеним цією дослідницькою командою. У попередній роботі науковці продемонстрували, що графенові сонячні елементи можуть забезпечувати електроенергією температурні сенсори.
У майбутньому команда планує поєднати кілька способів збирання енергії — зі світла, тепла, звуку, руху та електромагнітних полів. Такий підхід дасть змогу пристроям продовжувати роботу, навіть якщо одне з джерел енергії стане недоступним.
Де можуть застосовувати автономні сенсори
Технологія потенційно придатна для датчиків, які використовують у сільському господарстві, екологічному моніторингу, медицині, носимій електроніці та логістиці. У цих сферах сенсори нерідко встановлюють у місцях, де регулярна заміна батарей є дорогою або незручною.
Наприклад, автономні пристрої могли б тривалий час контролювати температуру в приміщеннях, на виробництві або під час перевезення товарів. Водночас для кожного такого застосування необхідно перевірити, чи вистачає зібраної енергії для конкретного датчика та способу передавання даних.
Дослідники прагнуть створити сенсори, які працюватимуть тривалий час без постійного обслуговування. Однак багаторічну надійність технології ще належить підтвердити практичними випробуваннями.
Коли технологія може з’явитися на ринку
Виняткову ліцензію на комерціалізацію технології збирання енергії на основі графену отримала компанія NTS Innovations. Вона підтримує розроблення патентів, пошук потенційних клієнтів і переговори з комерційними партнерами.
За даними дослідників, понад 60 організацій та інших зацікавлених сторін уже висловили бажання випробувати технологію або розглянути її інтеграцію у власні продукти.
Попри інтерес до розробки, це ще не означає, що пристрої незабаром надійдуть у масовий продаж. Подальший розвиток залежатиме від результатів випробувань, вартості виробництва та того, чи зможе система стабільно забезпечувати потрібну потужність для різних типів сенсорів.
Якщо технологію вдасться масштабувати, вона може допомогти зменшити залежність малопотужних електронних пристроїв від батарей і скоротити кількість елементів живлення, які потребують заміни та утилізації.