Samozasilające się czujniki

Samozasilające się czujniki

Kłopotliwym może być wymienianie baterii w urządzeniach, które mają działać przez długi okres czasu. Lekarze na przykład, mogą być zmuszeni do dostawania się pod skórę pacjentów, by wymienić baterie we wszczepionych urządzeniach biomedycznych. Baterie wykorzystywane w urządzeniach do monitorowania maszyn, infrastruktury, czy instalacji przemysłowych mogą natomiast być umieszczane w miejscach trudnodostępnych. Rozwiązaniem tego problemu może być nowe okrycie dokonane przez naukowców z MIT, które uczyni wymianę baterii zbędną.

Już niedługo, takie urządzenia mogłyby być zasilane przez różnicę temperatury ciała (bądź innego ciepłego obiektu) i otaczającego je powietrza. Do tego celu posłużą opracowane przez Anantha Chandrakasana, Joseph F. i Nancy P. Keithley, oraz Yogesha Ramadassa z MIT systemy pozyskiwania energii.

System taki mógłby na przykład umożliwić całodobowe monitorowanie pulsu, poziomu cukru we krwi, czy innych danych biomedycznych, za pomocą prostego urządzenia zamocowanego na ramieniu, albo nodze pacjenta, a zasilanego przez ciepło jego ciała. Podobnie zasilany system mógłby posłużyć do monitorowania gazów w kominach zakładów chemicznych, albo jakości powietrza w przewodach wentylacyjnych.

Koncepcja pozyskiwania energii z różnicy temperatur nie jest niczym nowym. Niektóre półprzewodniki z natury generują prąd, gdy ich jedna strona jest cieplejsza niż druga, albo generują różnice temperatur, gdy przyłoży się do nich napięcie. Materiały są dziś wykorzystywane do chłodzenia, bądź ogrzewania w przemyśle spożywczym.

Sama zasada znana była już w XIX wieku, jednakże dopiero w ostatnich latach znalazła ona praktyczne zastosowania. Kluczem do jej zastosowania w urządzeniach małej mocy jest ujarzmienie tak dużej ilości energii jak to tylko możliwe.

Im większa różnica temperatur, tym większy jest potencjał energetyczny, a większość takich urządzeń działa przy różnicy temperatur na poziomie od kilkudziesięciu do kilkuset stopni Celsjusza. To co jest unikalne w urządzeniu skonstruowanym na MIT jest zdolność do generowania energii przy różnicy temperatur na poziomie zaledwie jednego, dwóch stopni. Ilość wytworzonej energii jest niewielka (na poziomie 100 mikrowatów), ale wystarczająca. Kluczem do nowej technologii jest obwód sterujący, który optymalizuje połączenie między materiałem termoelektrycznym a kondensatorem magazynującym energię.

Jako, że systemy termoelektryczne wykorzystują różnicę temperatur pomiędzy jedną a drugą stroną urządzenia, są one jednak bezużyteczne w kontekście implantów biomedycznych. Aktualna eksperymentalna wersja urządzenia wymaga radiatora umieszczonego na ręce, albo nodze, wystawionego na działanie powietrza. „Musimy popracować nad miniaturyzacją całego systemu.” – stwierdził Ramadass. Może to zostać osiągnięte poprzez połączenie i uproszczenie elektroniki, oraz przez poprawę przepływu powietrza wokół radiatora.

Ramadass wskazał, że przez ostatnie lata zużycie energii przez różne elektroniczne czujniki. procesory, czy urządzenia komunikacyjne zmalało na tyle, że mogą one być obecnie zasilane przez takie termoelektryczne systemy pozyskiwania energii.

„Wierzymy, że bezprzewodowe czujniki, które konstruujemy, wszystkie zmierzać będą ku pozyskiwaniu energii z otoczenia; dlatego walczymy o zmniejszenie ich wagi, rozmiaru, oraz mocy.” - powiedział David Lamb z Camgian Microsystems. Badania Chandrakasana i Ramadassa „dotyczą kluczowych dla takich firm jak Camgian technologii, umożliwiających konstruowanie mikrosystemów nowej generacji.” – dodał.

„Nadszedł czas na znalezienie prawdziwych zastosowań i realizację wizji.” – powiedział Chandrakasan.

(lk)