Sto razy więcej energii z wibracji

Sto razy więcej energii z wibracji

Naukowcy z MIT skonstruowali miniaturowe urządzenie, które pozyskuje energię z wibracji niskich częstotliwości, jak te odczuwalne wzdłuż rurociągu czy mostu. Urządzenie to, będące w istocie systemem mikoelektromechanicznym (MEMS) wykorzystuje szersze spektrum wibracji niż dotychczasowe konstrukcje, wytwarzając przy tym stukrotnie więcej energii niż inne urządzenia tej wielkości.

„Czujniki bezprzewodowe są dziś powszechnie dostępne, jednakże wciąż istnieje problem z ich zasilaniem.” – stwierdził Sang-Gook Kim z MIT. „Myślę, że nasze urządzenie pozyskując energię z wibracji jest rozwiązaniem tej kwestii.” – dodał.

Aby pozyskać elektryczność z wibracji, naukowcy sięgają po materiały piezoelektryczne, jak kwarc czy inne kryształy. Materiały takie naturalnie akumulują ładunek elektryczny w odpowiedzi na mechaniczny nacisk. W ostatnich latach, naukowcy sięgnęli po MEMS, zdolne do generowania niewielkich ilości energii.

Dotychczas naukowcy wykorzystywali mechanizm drgającego wspornika, który jednakże ma swoje ograniczenia. Belka ma swoją częstotliwość rezonansową, w której generuje najwięcej energii. Poza tą częstotliwością, sprawność urządzenia, a wraz z nią ilość wytworzonej energii, drastycznie spada.

„W laboratorium, możesz przesuwać i potrząsać urządzeniami z dowolnymi częstotliwościami i to działa.” – stwierdził Arman Hajati z MIT. „Jednakże w rzeczywistości, źródło wibracji nie jest stałe i w efekcie pozyskujesz znacznie mniej energii niż się spodziewałeś.” – dodał.

Aby rozwiązać ten problem, niektórzy naukowcy zwiększali liczbę belek. Jednakże, według naukowców z MIT, podejście takie jest drogie i nieefektywne.

„Przy instalowaniu milionów czujników, gdy urządzenie pozyskujące energię kosztuje 10 dolarów, może to okazać się zbyt kosztowne.” – stwierdził Kim. „A gdyby wykorzystać urządzenie MEMS o jednej warstwie, możemy je wyprodukować za jednego dolara.” – dodał.

Zamiast stosować belki, Kim i Hajati zastosowali mikrochip z przyczepionym do jego obu końców miniaturowym mostkiem. Naukowcy pokryli mostek pojedynczą warstwą materiału PZT, umieszczając na jego środku niewielki ciężar.

Testy pokazały, że takie urządzenie zamienia na energię wibracje różnych częstotliwości. Zaledwie jedna warstwa PZT pozwoliła wytworzyć 45 mikrowaty energii, co stanowi wynik lepszy od konkurencji o dwa rzędy wielkości.

„Gdy wibracje otoczenia charakteryzują się jedną i niezmienną częstotliwością, istniejące konstrukcje działają dobrze.” – stwierdził Daniel Inman z University of Michigan. „Jednakże, gdy częstotliwość się zmienia, ilość wytworzonej energii drastycznie spada. Ta nowa konstrukcja poszerza pasmo pracy, co rozwiązuje problem.” – dodał.

„Naszym celem jest przynajmniej 100 mikrowatów, bo to jest wielkość oczekiwana od nas przez kolegów elektroników.” – stwierdził Hajati. „Dla monitorowania rurociągu, jeśli wytworzysz 100 mikrowatów, możesz zasilić sieć inteligentnych czujników, które będą mogły działać wiecznie.” – dodał.

(lk)