IT Houseは11月8日、トールは北欧神話の雷と稲妻の神であると報じた。彼は、何もないところから稲妻を呼び出す能力で有名です。同様の効果を達成するために、必ずしもマジックハンマーが必要なわけではないことがわかりました。科学者たちは最近、環境中の電磁放射線を収集し、電気エネルギーに変換できる新しい装置を開発しました。
IT Homeは、アーカンソー大学とミシガン大学の研究者らが、近くの電線から発生する周囲放射線を利用して発電できるグラフェンベースのエネルギーハーベスティングデバイスを開発したと報じた。
研究者らはこの技術を使用して、エネルギーハーベスター、電力変換回路、エネルギー貯蔵コンデンサー、超低電力温度センサーを含むバッテリー不要の温度検知システムを構築しました。システム全体は有線電源を必要とせず、電磁誘導によって電気エネルギーを取得し、センサーの動作に必要な電力を供給します。
それでは、ワイヤの周囲の周囲放射線は、正確にはどのようにして独立したデバイスに電力を供給するのでしょうか?
電流がワイヤを流れると、ワイヤの周囲に磁場が発生します。交流 (AC) では、電流が変化し続けると、磁場の方向と強さも変化し続けます。研究者らがこのシステムを開発した米国では 60Hz の交流が使用されており、これは電流が 1 秒間に 60 回変化することを意味します。これらの変化する磁場にはエネルギーがあります。
研究者らは、磁場エネルギーの一部を捕捉して電気に変換し、小型の温度センサーを駆動するのに十分な電力を生成する方法を発見した。
具体的には、グラフェンからインダクターを作成し、磁場を捕捉する能力を強化するために鋼鉄の磁気コアを追加しました。インダクタを電力線に近づけると、変化する磁界がインダクタを通過し、その両端に弱い交流電圧が誘導されます。このプロセスは、従来の変圧器や発電機の動作の基本原理でもある電磁誘導の原理に従います。
ただし、この微弱な電気信号を電子部品の駆動に直接使用することはまだできません。
まず、インダクタは交流を生成しますが、温度センサーは直流 (DC) を必要とします。第二に、生成される電圧が低すぎるため、デバイスを安定して駆動できません。したがって、研究者はデバイスの別の部分、つまり電力変換回路とエネルギー貯蔵システムにも依存する必要があります。
研究者らは、AC信号をDCに整流し、センサー電子機器が必要とするレベルまで電圧を徐々に増加させるコッククロフト・ウォルトン倍電圧回路に基づく変換システムを設計した。
エネルギー貯蔵の観点から、研究者らは従来の充電式バッテリーを使用せず、収集した電気エネルギーを貯蔵するために3つのコンデンサーを使用しました。これらのコンデンサは、電荷を徐々に蓄積することができます。研究者らは、環境発電装置は温度センサーが消費するよりも早く電力を補充すると述べている。
上記の処理を行った後でも、システムが生成する電力は、通常の電子機器に電力を供給するにはまだ少なすぎます。この問題を解決するために、研究者らはオーダーメイドのアイデアを採用し、消費電力をナノワットレベルに制御する超低電力温度検知システムを特別に設計しました。これは、電力消費量がわずか10億分の1ワットであることを意味します。
比較のために、このシステムの消費電力は理論的には単一の AirPods ヘッドセットの消費電力の約 3,000 万倍です。
グラフェンインダクターは比較的ゆっくりとエネルギーを取得しますが、それでもセンサーが消費するよりも早くコンデンサーのエネルギーを補充すると研究者らは述べています。したがって、周囲に十分な電磁エネルギーがある限り、システムは動作し続けることができます。
さらに、コンデンサは過剰な電気エネルギーを蓄えることができます。近くの送電線で一時的に電力が失われた場合でも、センサーは以前に保存された電荷に基づいて動作を継続できます。研究者らは、蓄えられた電力でシステムを少なくとも24時間、場合によっては最大1週間稼働させることができると述べている。
グラフェン・エナジー・ハーベスターの発明者であるポール・ティバド教授は、「インダクターはこれらのコンデンサーに電荷をゆっくりと補充しますが、センサーがコンデンサーから電荷を消費するよりも速いのです。そのため、たとえ停電しても、システムは依然としてコンデンサーから電荷を引き出すことができます。私たちが設計した方法では、24時間、場合によっては1週間も簡単に動作させることができます。」と述べています。
全体として、研究者らは、専用のグラフェン・エネルギー・ハーベスタを通じて周囲放射線から極微量の電気エネルギーを収集できる温度感知システムを開発しました。内蔵型システムは、近くの送電線に電力が供給されている限り、温度を監視し続けることができます。
この技術の有望な応用シナリオは、多数の機器を備えた大規模な産業施設です。たとえば、工場では、機械、パイプ、周囲の環境を継続的に監視するために、何千もの温度センサーを配置する必要がある場合があります。従来のソリューションでは、電力線の敷設が必要であり、これによりシステムの導入とメンテナンスが複雑になるか、バッテリ電源に依存するため、最終的にバッテリの交換が必要になります。
研究者らが開発した装置を使えば、配線なしで電池を定期的に交換したり充電したりすることなく、多数のセンサーに電力を供給できるようになった。
ただし、このテクノロジーには現時点では明確に述べる必要があるいくつかの制限があります。
まず、研究者らが実証した環境発電装置は、十分な強度の変化する磁場の近くにある必要があり、これは近くに適切な通電線がなければならないことを意味します。どのような環境であっても、薄い空気から発電することはできません。
第二に、研究者らは、システムが完全に放電された状態から自動的に起動できることをまだ実証していない。実験では、コンデンサが最初に充電され、プロセッサが事前にプログラムされました。
最後に、このシステムの出力電力はナノワット レベルにすぎず、ほとんど特別に設計された温度センサーのみを駆動できます。したがって、携帯電話がいわゆる「空中充電」をすぐに実現できると期待する必要はありません。
研究チームは現在温度センサーを概念実証として使用していますが、将来的にはこのシステムが製品追跡、大気環境モニタリング、物流車両管理、土壌モニタリング、ウェアラブルフィットネス機器、医療モニタリングなどの応用分野で、さまざまな低電力センシングデバイスに使用できると考えています。
さらに、研究者らは、音響エネルギー、非線形放射、太陽エネルギー、熱エネルギー、運動エネルギー、環境放射などの他のソースから電気エネルギーを収集する可能性を模索しています。チームの最終目標は、外部電源の必要性を排除し、環境内の複数のエネルギー源から電力を供給できる自律検知システムを開発することです。
関連する研究論文は、Journal of Vacuum Science and Technology に掲載されています。
参考文献:
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