Khai thác năng lượng từ môi trường không khí

"Tồn tại một lượng lớn năng lượng điện từ xung quanh chúng ta, nhưng chưa có ai khai thác," theo Manos Tentzeris, một giáo sư làm việc tại trường Kỹ thuật điện và máy tính, Học viện công nghệ Georgia, Hoa kỳ, người đứng đầu nghiên cứu này. "Chúng tôi đang sử dụng một ăng-ten băng tần siêu rộng cho phép khai thác một loạt các tín hiệu trong các dải tần số khác nhau, nhằm làm gia tăng khả năng thu thập năng lượng."

Tentzeris và nhóm của ông đang sử dụng máy in phun kết hợp cảm biến, ăng-ten và tiến hành thu nhặt năng lượng có trên giấy hoặc trên các tấm polyme phức hợp. Tận dụng nguồn năng lượng phát ra từ các cảm biến không dây có thể được sử dụng trong các lĩnh vực: hóa học, sinh học, cảm biến nhiệt và áp lực trong ngành công nghiệp quốc phòng, gắn thẻ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) cho sản phẩm trong sản xuất và vận chuyển, và làm nhiệm vụ giám sát trong nhiều lĩnh vực bao gồm các giao tiếp thông tin liên lạc và sử dụng năng lượng.

Một bài thuyết trình về công nghệ thu nhặt năng lượng từ môi trường không khí đã được trình bày tại Hội nghị chuyên đề Anten IEEE và Tuyên truyền, ở Spokane, Washington, Hoa Kỳ, vào ngày 06 tháng 07 năm 2011. Phát hiện này dựa trên nghiên cứu được hỗ trợ bởi nhiều nhà tài trợ, trong đó có Quỹ Khoa học Quốc gia, Cục Quản lý đường cao tốc liên bang và năng lượng mới của Nhật Bản và Tổ chức Phát triển Kỹ thuật Công nghệ (NEDO).

Với các thiết bị truyền thông truyền tải năng lượng trong các dải tần số khác nhau, hoặc trong các vân giao thoa khác nhau. Thiết bị thu thập năng lượng của nhóm nghiên cứu có thể nắm bắt năng lượng này, chuyển đổi từ điện xoay chiều AC thành điện 1 chiều DC, và sau đó lưu trữ trong tụ điện và pin. Công nghệ thu thập năng lượng này có thể giúp tận dụng nguồn năng lượng dồi dào của các tần số phát ra từ các đài phát thanh FM, hay từ các radar trong phạm vi bao trùm 100 megahertz (MHz) 15 gigahertz (GHz) hoặc cao hơn.

Thí nghiệm thu thập năng lượng từ việc sử dụng các băng tần truyền hình đã mang lại sức mạnh lên tới hàng trăm microwatts, và hệ thống đa băng tần dự kiến ​​sẽ tạo ra một miliwatt hoặc nhiều hơn. Đó là lượng điện năng đủ để vận hành các thiết bị điện tử nhỏ, bao gồm một loạt các cảm biến và các bộ vi xử lý.

Và bằng cách kết hợp công nghệ thu thập năng lượng với các siêu tụ điện và hoạt động đạp xe, nhóm nghiên cứu của Viện công nghệ Georgia hy vọng có thể vận hành các thiết bị dùng điện đòi hỏi trên 50 milliwatts. Trong phương pháp này, năng lượng được tích tụ trong một siêu tụ giống như pin và được sử dụng khi đạt được mức năng lượng cần thiết.

Các nhà nghiên cứu đã vận hành thành công một bộ cảm biến nhiệt độ sử dụng năng lượng điện thu được từ một đài truyền hình đặt cách xa 0.5km. Họ đang chuẩn bị một cuộc biểu diễn, trong đó một vi điều khiển dựa trên bộ vi xử lý sẽ được kích hoạt một cách đơn giản bằng cách giữ nó trong không khí.

Khai thác một loạt các vân giao thoa điện từ nhằm làm tăng độ tin cậy của các thiết bị thu thập năng lượng, theo Tentzeris, một nhà nghiên cứu và là giảng viên tại Trung tâm Thiết kế điện tử Georgia, Viện công nghệ Georgia. Nếu một phạm vi tần số tạm thời do các biến thể sử dụng bị mất dần, hệ thống vẫn có thể khai thác tần số khác.

Các thiết bị thu thập năng lượng có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp với thiết bị công nghệ tương đương khác. Ví dụ, kết hợp với một thiết bị tận dụng năng lượng mặt trời để sạc pin trong ngày. Vào ban đêm, khi các tế bào năng lượng mặt trời không cung cấp năng lượng, thiết bị thu thập năng lượng sẽ tiếp tục sạc pin hoặc có thể ngăn chặn thất thoát điện.

Để sử dụng năng lượng điện từ môi trường xung quanh, ta cũng có thể cung cấp một hệ thống dự phòng. Nếu pin hoặc thiết bị thu thập năng lượng mặt trời bị hỏng, thiết bị thu thập năng lượng có thể cho phép hệ thống truyền tín hiệu không dây báo động, trong khi đồng thời vẫn duy trì chức năng quan trọng của nó.

Các nhà nghiên cứu đang sử dụng công nghệ in phun để tạo ra những thiết bị thu thập năng lượng trên giấy hoặc trên các tấm polyme phức hợp giống như giấy, đây là một kỹ thuật mà họ đã sử dụng để sản xuất các cảm biến và ăng-ten. Kết quả sẽ là ra đời cảm biến không dây trên giấy có thể tự cấp nguồn, chi phí thấp và có thể hoạt động độc lập gần như bất cứ nơi nào.

Để tích hợp các thành phần mạch điện và các mạch, các nhà nghiên cứu Viện công nghệ Georgia sử dụng một máy in phun tiêu chuẩn. Tuy nhiên, họ thêm những gì Tentzeris gọi là một "công thức bí mật có chứa các hạt nano bạc hoặc các hạt nano khác trong nhũ tương." Cách tiếp cận này cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra không chỉ thành phần RF và các mạch, mà còn tạo ra các thiết bị cảm biến mới dựa trên vật liệu nano như ống nano carbon.

Khi Tentzeris và nhóm nghiên cứu bắt đầu công nghệ in phun của ăng-ten vào năm 2006, mạch in dựa trên giấy chỉ hoạt động ở tần số của 100 hoặc 200 MHz, theo Rushi Vyas, nghiên cứu sinh đang làm việc với Tentzeris và nghiên cứu sinh Vasileios Lakafosis trong vài dự án.

"Bây giờ chúng ta có thể tạo ra các mạch in có khả năng hoạt động lên đến 15 GHz - 60 GHz nếu chúng ta tạo mạch in trên nhựa polymer," Vyas. "Vì vậy, chúng ta đã thấy sự cải thiện hoạt động tần số trước yêu cầu về cường độ."

Các nhà nghiên cứu tin rằng thiết bị vô tuyến không dây sử dụng cảm biến có mạch in dựa trên giấy, sẽ sớm được phổ biến rộng rãi với chi phí rất thấp. Sự gia tăng kết quả của bộ cảm biến tự trị, không tốn kém có thể được sử dụng cho các ứng dụng bao gồm:

- An ninh sân bay: Sân bay có cả nhiều quan ngại về an ninh và một lượng lớn năng lượng có sẵn trong môi trường xung quanh từ radar và từ các nguồn thông tin liên lạc. Những yếu tố kép tạo ra môi trường tự nhiên cho hoạt động của một số lượng lớn các cảm biến không dây có khả năng phát hiện các mối đe dọa tiềm năng như chất nổ, buôn lậu vật liệu hạt nhân.

- Tiết kiệm năng lượng: Các cảm biến không dây là thiết bị hỗ trợ, tự vận hành, được đặt xuyên suốt ngôi nhà có thể cung cấp sự giám sát liên tục các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm, dẫn đến tiết kiệm rất đáng kể trong chi phí sưởi ấm và điều hòa không khí. Và không giống như nhiều thiết bị cảm biến hiện nay, cảm biến dựa trên giấy thân thiện với môi trường sẽ tự phân hủy nhanh chóng trong các bãi chôn lấp.

- Kết cấu toàn vẹn của các cảm biến dựa trên giấy hoặc polymer có thể được đặt lâu dài trong các loại cấu trúc khác nhau để theo dõi những điều kiện bất thường. Các bộ cảm biến tự cung trên các tòa nhà, cầu hoặc máy bay có thể lặng lẽ phân tích các vấn đề, có lẽ trong nhiều năm, và sau đó tự động truyền tín hiệu khi chúng phát hiện một điều kiện không bình thường.

- Thực phẩm và các chất liệu dễ hỏng và giám sát chất lượng: Cảm biến không dây tự cung được cố định trên các loại thực phẩm dễ hư hỏng có thể quét các hóa chất cho thấy sự hư hỏng và gửi một cảnh báo sớm nếu chúng phát hiện ra vấn đề.

- Thiết bị giám sát sinh học di động: Công nghệ không dây mới nhất, có thể được sử dụng rộng rãi để quan sát độc lập về các vấn đề y tế, điều trị cho bệnh nhân.