Pētnieki no Arkanzasas Universitātes un Mičiganas Universitātes izstrādājuši uz grafēna bāzētu ierīci, kas iegūst elektrību no apkārtējās vides starojuma. Šajā gadījumā enerģijas avots ir elektromagnētiskais lauks, ko rada tuvumā esoši elektrības vadi. Tehnoloģija demonstrēta ar bezbateriju temperatūras mērīšanas sistēmu.

Sistēmā ietilpst enerģijas savācējs, jaudas pārveidošanas shēma, enerģijas uzkrāšanas kondensatori un īpaši mazjaudīgs temperatūras sensors. Tā darbojas bezvadu režīmā: enerģija sensoram tiek iegūta, izmantojot elektromagnētisko indukciju.

Kā elektrības vads kļūst par enerģijas avotu

Elektriskā strāva, plūstot pa vadu, rada ap to magnētisko lauku. Maiņstrāvas gadījumā šis lauks nepārtraukti maina virzienu un intensitāti atbilstoši strāvas svārstībām. Amerikas Savienotajās Valstīs, kur pētnieki izstrādāja sistēmu, maiņstrāvas frekvence ir 60 Hz jeb 60 cikli sekundē. Mainīgais magnētiskais lauks sevī nes enerģiju, ko iespējams uztvert un pārveidot elektrībā.

Pētnieki izveidoja induktoru no grafēna un aprīkoja to ar tērauda serdi, lai uzlabotu magnētiskā lauka uztveršanu. Novietojot šo induktoru elektrības kabeļa tuvumā, mainīgais magnētiskais lauks iziet caur to un rada nelielu maiņspriegumu. Tās ir tās pašas elektromagnētiskās indukcijas pamatprincipa sekas, kas tiek izmantotas tradicionālajos transformatoros un ģeneratoros.

Tomēr iegūtais signāls sākotnēji nav pietiekams elektronikas darbināšanai. Tas ir maiņstrāvas signāls, bet sensoram nepieciešama līdzstrāva, turklāt spriegums ir pārāk zems, lai ierīce varētu darboties uzticami. Tāpēc sistēmā iekļauta jaudas pārveidošanas un enerģijas uzkrāšanas daļa.

Pētnieki izstrādājuši shēmu, kuras pamatā ir Kokrofta–Voltona sprieguma reizinātājs. Tā pārveido maiņstrāvas signālu līdzstrāvā un pakāpeniski paaugstina spriegumu līdz līmenim, kas piemērots sensora elektronikai. Parastās uzlādējamās baterijas vietā iegūtā elektrība tiek uzkrāta trīs kondensatoros, kas pamazām uzkrāj lādiņu. Pēc pētnieku teiktā, enerģijas savācējs kondensatoros uzkrāto enerģiju papildina ātrāk, nekā temperatūras sensors to patērē.

Īpaši mazjaudīgs sensors

Arī pēc sprieguma pārveidošanas iegūtās enerģijas joprojām ir par maz, lai darbinātu parastu elektroniku. Tāpēc pētnieki izstrādāja pielāgotu temperatūras mērīšanas sistēmu, kas darbojas nanovatu līmenī un patērē tikai miljarddaļas vata. Salīdzinājumam — tās patēriņš ir aptuveni 30 miljonus reižu mazāks nekā vienam AirPod.

Grafēna induktors enerģiju savāc samērā lēni, tomēr tas spēj papildināt kondensatorus ātrāk, nekā sensors iztukšo tajos uzkrāto lādiņu. Tādēļ sistēma var turpināt darbu, kamēr tuvumā pieejams pietiekami spēcīgs elektromagnētiskais lauks. Kondensatoros uzkrātais pārpalikums ļauj sensoram darboties arī tad, ja tuvumā esošās elektrības padeve uz laiku tiek pārtraukta. Pēc pētnieku aplēsēm, ar uzkrāto lādiņu sistēma varētu darboties vismaz 24 stundas un, iespējams, pat līdz nedēļai.

“Induktors šiem kondensatoriem pievieno lādiņu lēnā ātrumā, taču tas notiek ātrāk, nekā sensors patērē kondensatoros uzkrāto enerģiju. Tāpēc arī pēc elektrības padeves pārtraukuma tas var turpināt saņemt enerģiju no kondensatoriem. Mūsu konfigurācijā sistēma viegli var darboties 24 stundas — iespējams, pat nedēļu,” sacīja grafēna enerģijas savācēja izgudrotājs profesors Pols Tibado.

Iespējamais pielietojums rūpniecībā

Pētnieki izveidojuši temperatūras sensoru sistēmu, kas darbojas ar ārkārtīgi mazu enerģijas daudzumu, ko īpašs grafēna enerģijas savācējs iegūst no apkārtējā starojuma. Kamēr tuvumā esošajos vados plūst elektrība, autonomā sistēma varētu turpināt mērīt temperatūru bez vadu savienojuma vai baterijas nomaiņas.

Viens no iespējamiem pielietojumiem būtu liela rūpniecības ražotne ar tūkstošiem sensoru, kas uzrauga iekārtas, cauruļvadus un apkārtējo vidi. Parasti šādiem sensoriem nepieciešama vadu elektroapgāde vai baterijas, kuras laika gaitā jāmaina. Izmantojot pētnieku izstrādāto risinājumu, daudzi sensori varētu darboties bez atsevišķa barošanas vada un atkārtotas uzlādes.

Vienlaikus tehnoloģijai ir būtiski ierobežojumi. Enerģijas savācējam nepieciešams pietiekami spēcīgs, mainīgs magnētiskais lauks elektrības vadu tuvumā, tāpēc tas nevar ražot elektrību jebkurā vietā. Pētnieki arī nav parādījuši, ka sistēma spētu pilnībā patstāvīgi sākt darbu no pilnībā izlādēta stāvokļa: pirms darbības kondensatori tika uzlādēti, bet procesors — ieprogrammēts. Turklāt nanovatu līmeņa jauda ir pietiekama galvenokārt īpaši izstrādātajam sensoram, nevis tādām ierīcēm kā viedtālruņi.

No temperatūras sensoriem līdz autonomām sistēmām

Temperatūras sensors šajā darbā ir tikai tehnoloģijas koncepcijas demonstrācija. Pētnieki saskata iespējamu pielietojumu arī produktu izsekošanā, atmosfēras novērošanā, loģistikas transportlīdzekļu parka pārvaldībā, augsnes uzraudzībā, valkājamu fitnesa ierīču darbībā un medicīniskajā uzraudzībā.

Komanda vienlaikus pēta iespējas iegūt elektrību arī no akustiskiem, nelineāriem, saules, termiskiem, kinētiskiem un apkārtējā starojuma avotiem. Ilgtermiņa mērķis ir izveidot autonomas sensoru sistēmas, kas enerģiju iegūst no vairākiem apkārtējās vides avotiem.

Pētījums publicēts žurnālā Journal of Vacuum Science and Technology.