från våra fotspår till våra knapptryckningar spenderar människor ständigt energi och forskare utnyttjar dessa rörelser för att driva världen runt oss.
att skörda energi från sin omgivning eller aktiviteter snarare än från ett batteri eller ett vägguttag har några viktiga fördelar: elkällorna är gratis och enheterna är mer mobila. Detta är särskilt användbart för medicinsk elektronik som insulinpumpar och pacemakers. Energiskördare kan också förlänga batteritiden i smartphones och bärbara datorer.
tanken är inte ny. Kristallradioer har till exempel funnits sedan början av 20-talet och behöver inte en dedikerad strömkälla, eftersom de rensar el från radiovågor. Men nuvarande energiskördningsstrategier är inte särskilt effektiva, och energin i vår miljö sprids i stor utsträckning, vilket innebär att starka ljus, stora temperaturgradienter eller långa, snabba promenader behövs för att producera en märkbar mängd kraft, vilket fortfarande inte kan vara så mycket.
nu hittar forskare nya sätt att öka skördeeffektiviteten och sänka kostnaderna. Utvecklare gör också elektronik som använder mycket mindre ström, så att en dag telefonen kan köras på prasslande i fickan och några finger kranar när du ringer ett samtal.
vid Lawrence Berkeley National Laboratory visade forskare en enhet förra månaden som använder virus för att översätta tryck till El. Enheten är beroende av piezoelektricitet, ett fenomen där en elektrisk laddning produceras i ett material när den är mekaniskt deformerad eller stressad. I det här fallet använde laget ett konstruerat M13-virus som vanligtvis infekterar bakterier för att göra materialet.
det roliga börjar vid 50 nanoamps
enheten kan producera 6 nanoamps av ström och 400 millivolt av potential, ungefär en fjärdedel av ett trippel-A-batteri och tillräckligt för att kort aktivera en liten monokrom flytande kristallskärm med en kvadratcentimeter stor generator när den pressas. Forskarna publicerade sin rapport i Nature Nanotechnology.
Ramamoorthy Ramesh, forskare i materialvetenskapsavdelningen vid LBNL och en av rapportens medförfattare, förklarade att virus kan reproducera sig själva och bilda nanometerskalstrukturer på egen hand, vilket gör dem till ett attraktivt billigt alternativ till konventionella piezoelektriska enheter, som kan använda dyra eller giftiga kemikalier. Virusmaterialet kan också sprutas på en yta, vilket potentiellt kan göra någon vägg eller golv till en energiskördare från fotspår och vibrationer.
just nu är virusgeneratorn för svag för att ge någon praktisk kraft, även om forskarna gör förbättringar och säger att de inte är långt ifrån en användbar produkt.
”om vi får 50 till 70 , då är det rock ’n’ roll tid. Då är det mycket roligt,” sa Ramesh.
forskare i Storbritannien utvecklade också nyligen en piezoelektrisk generator, en knästöd som scrounges elektroner från att gå. När bärarens knäböjningar ” plockas ”fyra metallskenor i enheten, som sedan vibrerar som en gitarrsträng och producerar el.
för närvarande producerar enheten cirka 2 milliwatt kraft, men forskare förväntar sig att nå 30 milliwatt med några tweaks.
Michele Pozzi, projektets ledande forskare och en forskare i energiskörd vid School of Applied Sciences vid Cranfield University, sa i en release att han förväntar sig att enheten kostar 10 10 per enhet när produktionen ökar. Resultaten publicerades tidigare denna månad i smarta material och strukturer.
men kan det driva en TV?
fortfarande, även med energiskördarna på marknaden, får det stora hindret tillräckligt med användbar el för att driva en sensor, lampa eller skärm. Detta innebär att producera mer el än enheten behöver så att den har tillräckligt för att lagra och förbli konsekvent i drift.
”i vissa fall kan du bara skörda en microwatt eller så”, säger David Freeman, chefsteknolog i power supply solutions group på Texas Instruments. ”Om din enhet kräver en microwatt, gör du ingenting för någon.”
för Texas Instruments är lösningen att göra enheter som använder mindre el samt att göra skördare effektivare.
”det är bara under de senaste tre, fyra eller fem åren som den rapporterade tillräckligt med el för att vara användbar och energin hos enheterna var tillräckligt låg för att fungera”, sa Freeman.
en potentiell användning för skördare är att bygga sensorer som kan övervaka luftkvaliteten. Operatörer kan trådlöst samla in den informationen för att effektivt värma eller kyla sina utrymmen. ”Målet för de flesta av dessa applikationer är” peel-and-stick”, förklarade Freeman och noterade att den bästa platsen för en sensor kan vara långt ifrån alla elektriska ledningar. Sådana platser kan också vara svåra att komma till, så att byta batteri ofta skulle vara för obekvämt, vilket gör dem idealiska användningsområden för skördare.
för detta ändamål tillverkar företaget integrerade kretsar och mikroprocessorer som behöver mycket mindre energi.
”varje generation använder mindre kraft än generationen tidigare”, sa Freeman. ”När vi fortsätter att trycka ner strömmen som behövs av dessa enheter, gör det skördestycket mer praktiskt.”
enligt Freeman är den dominerande skördetekniken små fotovoltaiska paneler, eftersom vibrations-och radioskördare ännu inte tar tillräckligt med ström för att köra både sensorn och sändaren. Företaget gjorde nyligen ett prototyp trådlöst tangentbord som körs på inomhusbelysning med en batterilivslängd som matchar enhetens livslängd, ungefär tre till fem år. Dessutom utvecklar Texas Instruments sensorer för att övervaka industriell utrustning och vägar, där de vanliga rörelsefrekvenserna kan vara mer lämpade för vibrationella skördare.
omtryckt från Climatewire med tillstånd från miljö & Energy Publishing, LLC. www.eenews.net, 202-628-6500