Неиспользуемый источник энергии питает интеллектуальные сенсорные сети

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

Matthew Carroll

Университет штата Пенсильвания

Команда ученых разработала новый механизм, позволяющий собирать энергию магнитного поля рассеяния и превращать ее в полезное, используемое электричество. (Рисунок: Kai Wang).

Электричество, которое освещает наши дома и приводит в действие наши бытовые приборы, также создает небольшие магнитные поля, присутствующие вокруг нас. Ученые разработали новый механизм, способный собирать эту напрасно пропадающую энергию магнитного поля и преобразовывать ее в электричество, количества которого достаточно для питания беспроводных сенсорных сетей Интернета вещей следующего поколения в интеллектуальных домах и на фабриках.

«Магнитные поля являются точно таким же источником бесплатной энергии, как и энергия солнечного света, которую мы пытаемся собирать, – сказал Шашанк Прия (Shashank Priya), профессор материаловедения и инженерии и заместитель вице-президента по исследованиям Пенсильванского университета. – Эта вездесущая энергия присутствует в наших домах, офисах, на рабочих местах и в автомобилях. Она повсюду, и у нас есть возможность собрать этот фоновый шум и преобразовать его в полезное электричество».

Профессор Шашанк Прия. (Фото: Университет штата Пенсильвания).

Команда, возглавляемая учеными Пенсильванского колледжа, разработала устройство, обеспечивающее выходную мощность, в четыре раза бóльшую, чем позволяют другие современные технологии при работе со слабыми магнитными полями, подобными тем, что присутствуют в наших домах и зданиях.

По словам ученых, эта технология важна для проектирования интеллектуальных зданий, которым потребуются беспроводные сенсорные сети с автономным питанием для решения таких задач, как контроль энергопотребления и режимов работы, а также реализация систем дистанционного управления.

«Известно, что если в зданиях автоматизировано множество функций, можно значительно повысить эффективность использования энергии, – сказал Прия. – Здания являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии в Соединенных Штатах. Поэтому снижение потребления энергии даже на несколько процентов может транслироваться в мегаватты экономии. Датчики – это то, что позволит автоматизировать эти объекты управления, и эта технология является реалистичным способом питания таких датчиков».

Исследователи разработали устройства толщиной с лист бумаги и длиной порядка 4 см, которые можно размещать на бытовых приборах или рядом с ними, в источниках света или на шнурах питания, где магнитные поля наиболее сильны. По словам ученых, эти поля быстро ослабевают по мере удаления от проходящего электрического тока.

Если устройство расположено в 4 дюймах от электрообогревателя, оно вырабатывает электроэнергию, которой достаточно для питания матрицы из 180 светодиодов, а в 8 дюймах – для питания цифрового будильника. О результатах своих исследований ученые сообщили в журнале Energy and Environmental Science.

«Эти результаты значительно приближают нас к созданию устойчивого энергообеспечения интегральных датчиков и систем беспроводной связи», – сказал Мин Гю Канн (Min Gyu Kang), доцент Университета штата Пенсильвания и соавтор исследования.

Ученые использовали комбинированную структуру, соединив вместе два разных материала. Один из этих материалов является магнитострикционным; он преобразует магнитное поле в механическое напряжение, а другой, пьезоэлектрический, преобразует деформации или вибрации в электрическое поле. Эта комбинация позволяет устройству превращать магнитное поле в электрический ток.

Устройство имеет структуру балочного типа, один конец которой зажат, а другой свободно вибрирует в ответ на приложенное магнитное поле. Ученые утверждают, что магнит, установленный на свободном конце балки, усиливает движение и способствует увеличению выработки электроэнергии.

«Прелесть этого исследования состоит в том, что в нем используются хорошо известные материалы, но архитектура конструкции такова, что преобразование магнитного поля в электричество становится максимально эффективным, – сказал Прия. – Это позволяет достичь высокой плотности мощности при малой амплитуде магнитных полей».