Kuka tarvitsee paristoja? Itsevirtaavat anturit voivat yksinkertaistaa ja parantaa järjestelmiä

Kasvava energiantarve ja sen täyttäminen on yksi maailman suurimmista huolenaiheista. Ei pelkästään tuotannon määrä ole ratkaistava haaste, vaan tuotannon on oltava kestävää ja hiilidioksidipäästöistä vapautettua.

Tiedemiehet, tutkijat, teknologiakehittäjät, instituutiot ja hallituksen organisaatiot ympäri maailmaa pyrkivät parhaansa mukaan keksimään tehokkaita ratkaisuja tähän energiakriisiin. Monet menestyksekkäät yritykset ovat auttaneet parantamaan tilannetta.

Kaiken keskellä MIT:n tutkijaryhmä on kehittänyt paristoton, itsevirtaava anturi joka pystyy keräämään energiaa ympäristöstä. Aloitetaan syventymällä tarkemmin ja ymmärtämällä, mitä tämä teknologia tarkoittaa ja miksi se on merkittävä innovaatio. 

Paristottomat, itsevirtaavat anturit MIT:n tutkijoilta

Nämä anturit eivät vaadi ladattavia tai vaihdettavia paristoja. Ne eivät myöskään tarvitse johdotusta, mikä tekee niiden sijoittamisesta vaikeasti saavutettaviin paikkoihin helpompaa. Pohjimmiltaan nämä anturit ovat lämpötilaan herkkiä laitteita, jotka voivat hyödyntää ympäröivän magneettikentän energiaa, joka on lähellä johtoa avoimessa ilmassa. 

Näiden antureiden asennus on yhtä helppoa kuin niiden kiinnittäminen johdon ympärille, kuten moottoria virittävien johtojen ympärille. Kun ne on kiinnitetty, asennus riittää anturille sekä kerätä että varastoida energiaa. Lisäksi laite pystyy valvomaan moottorin lämpötilaa sekä keräämään tietoa koneen energiankulutuksesta ja toiminnasta pitkän ajan kuluessa.

Daniele Monaglen, tämän innovaation esittelevän tutkimuksen pääkirjoittajan, mukaantutkimus, joka korostaa tätä innovaatiota on julkaistu artikkeli IEEE Xplore:ssa:

“Olemme tarjonneet esimerkin paristottomasta anturista, joka tekee jotain hyödyllistä, ja osoittaneet, että se on käytännöllisesti toteutettavissa oleva ratkaisu. Nyt toivottavasti muut käyttävät kehystämme saadakseen vauhtia anturien suunnitteluun.”

Keskustellessaan innovaatiosta ja sen hyödyllisyyden arvosta John Donnal, aseiden ja ohjausinsinöörin apulaisprofessori Yhdysvaltain Merijalkassa, sanoi: 

“Tällaiset energiankeruujärjestelmät voisivat mahdollistaa laajan valikoiman diagnostiikkasensoreiden jälkiasennuksen aluksilla ja merkittävästi vähentää ylläpitokustannuksia.”

Tutkijat uskovat, että tämä innovaatio on arvokas lisä energiankeruun maailmaan, koska se toimii tehokkaana elektronisena energianhallintaliittymänä keräyslähteen ja anturikuorman välillä. 

Järjestelmä, kehitystesteissä, osoitti onnistuneita kylmäkäynnistysohjelmia, jotka käyttävät diskreettiä logiikkaa, ja keskimääräiset energiankeruun parannukset saavuttivat lähes 400 % tietyissä keräysjännitteen kuormitusolosuhteissa. Se toimi hysteresisohjauksella, joka pystyi palvelemaan anturikuormaa jopa 50 megawattia. 

Työtä tukivat osittain Yhdysvaltain Merijalkan tutkimustoimisto (Office of Naval Research) ja Grainger-säätiö. Perimmiltään näiden laitteiden valvonta- ja anturointikyvyt voivat löytää monia sovelluksia laivan alalla. 

Esimerkiksi sähkön tarkkailu aluksella on vaikeaa, koska liitäntöjen määrä on rajallinen ja laitteiden tyyppeihin liittyy tiukkoja rajoituksia. 

Vaikka aluksella olisi merkittäviä hyötyjä pumpun värähtelyn mittaamisesta, ja se voisi saada reaaliaikaista tietoa laakereiden ja kiinnikkeiden kunnosta, retrofittien antureiden virtaaminen vaatii raskasta infrastruktuuria. Nämä itsevirtaavat anturijärjestelmät mahdollistavat laajan valikoiman diagnostiikkasensoreiden jälkiasennuksen aluksilla, mikä alentaa merkittävästi ylläpitokustannuksia. 

Lisäksi näiden antureiden energiankeruu ei perustu ainoastaan magneettikenttiin. Ne voivat kerätä energiaa värähtelystä tai auringonvalosta, ja ne voivat tarjota mahdollisuuksia rakentaa kattavia anturiverkkoja tehtaissa, varastoissa ja kaupallisissa tiloissa erittäin kohtuullisin asennus- ja ylläpitokustannuksin. 

Kaikki nämä keskustelut energiankeruusta ja energian saamisesta ympäröivistä magneettikentistä, äänivärähtelyistä tai auringonvalosta saattavat kuulostaa tutuilta niille, jotka tuntevat piezoelektriset materiaalit. Mutta on eroja. 

Klikkaa tästä oppiaksesi kestävästä energialähteistä ja niiden omaksumisasteista.

Itsevirtaavat anturit eroavat piezoelektrisistä materiaaleista

Piezoelektriset materiaalit voivat tuottaa sähköjännitteen, kun ne altistetaan rasitukselle. Voimanlähteen taustalla voivat olla taivutus, venytys tai värähtely. Näitä tapoja voidaan hyödyntää aallonenergia-laitteessa. 

Piezoelektrisyyttä on myös käytetty merivoiman tuotantoteknologiana. Kuitenkin se eroaa täällä käsitellyistä itsevirtaavista anturijärjestelmistä, koska ne muodostavat vain osan järjestelmästä. 

Tieteellinen artikkeli, joka kuvaa energianhallintasuunnittelua itsevirtaaville antureille, osoittaa, että siinä on kolme laajaa komponenttia. Niihin kuuluvat keräyslähde, ydinenergianhallintamoduuli ja anturipiste. 

Piezoelektrisyys on yksi keräyslähteistä. Muita keräyslähteitä voivat olla aurinkokennot, CT MEH -lähteet sekä termoelektriset tai triboelektriset lähteet. 

Yhteenvetona itsevirtaava anturi on enemmän kuin pelkkä piezoelektrinen materiaali tai piezoelektrisyyden ilmiö sinänsä. Siksi itsevirtaavat anturit löytävät monia sovelluksia. 

Seuraavissa osioissa tarkastelemme yrityksiä, jotka valmistavat tällaisia antureita tai käyttävät niitä. 

#1. EnOcean: Itsevirtaavat anturit turvallisiin rakennuksiin

EnOceanin langattomat itsevirtaavat anturit keräävät energiaa ympäröivästä valosta hyödyntäen aurinkokennoja. Lisäksi nämä anturit pystyvät keräämään energiaa pienimmistäkin lämpötilaeroista. Energiankeruun lisäksi ne voivat kerätä raakadataa, mikä auttaa analysoimaan ja visualisoimaan älyrakennuksen energiadynamiikkaa. Lisäksi lämpötilan lisäksi nämä anturit keräävät tehokkaasti tietoa kosteudesta, valosta sekä siitä, miten tila ja tietyt rakennuksen huoneet käytetään.

EnOceanilla on laaja valikoima itsevirtaavia antureita, mukaan lukien energiankeräävät langattomat anturimoduulit, ultra-matalatehoiset DC/DC-muuntimet lämpöenergiaa kerääville antureille, energiankeräävät magneettikontaktin lähettimoduulit ja langattomat lämpötila-anturi-moduulit, kosteusanturi-moduulit ja paljon muuta. 

EnOcean asettaa STM 550 lippulaivatuotteekseen itsevirtaavien antureiden perheessä. Se on energiankeräävä langaton anturi, jolla on monia sovelluksia digitalisoiduissa rakennuksissa. Se on monianturituote, joka yhdistää viisi eri anturia: magneettikontakti, kiihtyvyys, kosteus, valaistus ja lämpötila. 

Anturi sisältää integroidun aurinkokennon, joka pystyy täyttämään kaikki käyttöenergiatarpeet. Vaikka aurinkovaloa ei ole, sisäisesti varastoitu kerätty energia varmistaa, että järjestelmä pysyy toiminnassa. Lopuksi NFC-rajapinta mahdollistaa helpon konfiguroinnin ja pääsyn NFC-lukijan, älypuhelimen tai tabletin kautta. 

EnOceanin sisäisen asiakirjan julkaisemana EnOcean, yritys kirjasi liikevaihdoksi 21 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria FY21:ssä ja 23,2 miljoonaa FY22:ssa, ilman hankittujen omaisuuserien tuloja. FY23:lle yritys ennusti liikevaihdoksi 35 miljoonaa dollaria. 

Yritys esitteli myös vahvan putken strategisia ja rahoitusinvestoijia, mukaan lukien Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens ja Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Työskentelee paristottoman tulevaisuuden puolesta

Toinen yritys, joka on työskennellyt ahkerasti täyttääkseen itsevirtaavan tulevaisuuden vaatimukset, on ONiO. 

Sen lippulaivatuote, ONiO.zero, on pieni langaton mikrokontrolleri, joka voi korvata paristot. Se on kiinnitetty pieneen piisiruun, jossa on tarvittava sähköpiiri pienimpien energiamäärien keräämiseen. 

Tämä nanoskaala järjestelmä voi suorittaa ohjelmia, yhdistää ulkoisiin antureihin ja kommunikoida langattomasti. Se hyödyntää ympäristön uusiutuvaa energiaa mikroelektroniikan virrannoja, jolloin käyttäjät voivat hyödyntää RF-, aurinko- ja termoelektristä energiaa. 

ONiO.Zero virtaa monia mikrokontrollerilaitteita, mukaan lukien paristoton kaukosäädin. Kaukosäätimen toiminnassa ONiO.zero toteuttaa matalan tehon PDM-liitännän matalan tehon mikrofonien liittämiseksi. Tämä liitäntä tukee näytteenottotaajuuksia 300 kHz–12 MHz, sekä murto-osan bittinopeutta. Lisäksi kapasitatiivisen kosketusmoottorin integrointi tarkoittaa, että kaukosäädin ei tarvitse sisäistä oskillaattoria ja on täysin itsekellotettu. Tämä suunnittelu mahdollistaa äärimmäisen alhaisen tehon toiminnan ja asynkronisen herättämisen järjestelmän muille osille. Lisäksi ultra-matalatehoinen oskillaattori on suunniteltu siten, että mikä tahansa 64:n näppäimen painallus voi herättää suoritin. 

Heinäkuussa 2023 ONiO esitteli paristottomat elektroniset hyllymerkinnät. Nämä ovat 100 % itsevirtaavia eikä tarvitse paristoja. Perinteiset hyllymerkinnät käyttävät kahta kolikkokuorta, ja keskikokoinen lähikauppa käyttää lähes 6 000 tällaista merkintää, mikä johtaa lähes 12 000 kolikkosellun hävittämiseen meriin ja kaatopaikoille yhden kaupan osalta. 

ONiO:n itsevirtaavat paristottomat elektroniset hyllymerkinnät voivat pelastaa planeettamme myrkyllisiltä jätteiltä, joita syntyy miljoonien paristojen käytöstä. 

Yritys suoritti pre-seed-, seed- ja bridge-rahoituskierroksensa vuosina 2017, 2018 ja 2021, ja odotetaan suorittavan Series A:n vuonna 2024. Viimeisimmät saatavilla olevat rahoitustiedot osoittavat, että yritys keräsi lähes 2,5 miljoonaa euroa grantin Euroopan innovaatiopalkkiona toukokuussa 2020. 

#3. Clarity Movement Co.: Ilmansensoriteknologiaa hyödyntäen puhtaan ilman liikkeen edelläkävijänä

Berkeleystä, Kaliforniasta, Yhdysvallat, Clarity Movement Co. tarjoaa lippulaivansa hiukkas- ja typpidioksidimonitorin nimeltä Clarity Node-S. Se on itsevirtaava ratkaisu, joka on saanut FCC/CE-sertifioinnin. Perimmiltään se on IoT-ilmanlaadun valvontajärjestelmä, joka toimii aurinkoenergian keräyksen periaatteella. 

Sillä on myös huipputason datanhallintakyky, jonka voi skaalata mihin tahansa projektiin. Ilmanlaadun mittauslaitteena, joka mittaa PM2.5- ja typpidioksidia, Clarity Node-S toimii myös alustana, joka mittaa tuulta, mustaa hiiltä ja otsonia. Sen käyttäjäystävällinen hallintapaneeli tarjoaa ilmanlaadun mittaukset ja verkon tilatiedot mahdollisimman helposti. 

Clarity Movement on kerännyt yhteensä viisi rahoituskierrosta, viimeisin Series A 24. heinäkuuta 2022. Raporttien mukaan kierros suljettiin 9,6 miljoonan Yhdysvaltain dollarin rahoituksella. 

Paristottomia, itsevirtaavia anturiratkaisuja valmistavien yritysten lisäksi on sovellusalueita, jotka tutkivat niiden toteutettavuutta ja kehittävät ratkaisuja sen mukaisesti. 

Terveydenhuollosta älykkäiden rakennusjärjestelmien rakentamiseen: itsevirtaavien antureiden käyttö

Antureita on käytetty terveydenhuollossa, kannettavassa teknologiassa, henkilökohtaisessa elektroniikassa, autoissa, rakennuksissa, elintarvikkeiden valvonnassa, robotiikassa, ympäristön seurannassa ja muissa. Antureiden hyödyt ovat korostuneet entisestään itsevirtaavien antureiden myötä. 

Nyt kehitetään koneoppimistekniikoiden integrointia itsevirtaaviin anturijärjestelmiin. Asiantuntijat uskovat, että itsevirtaavien antureiden yhdistäminen ML-ominaisuuksiin avaa mahdollisuuksia laajamittaiseen IoT:n käyttöönottoon. 

Onnistunutta tutkimusta on tehty itsevirtaavien langattomien optisen siirron tekniikoiden parissa paineen havaitsemiseksi. Tiede on myös nähnyt 3D-tulostettujen elastomeeristen metalliytimen triboelektristen rannekkeiden, Parkinsonin taudin tärinän anturien, älykkäiden sukkien ja älykkäiden ajoneuvon avustinjärjestelmien kehittämisen – kaikki pyrkivät hyödyntämään itsevirtaavia antureita. 

Terveydenhuollon ja biolääketieteellisten sovellusten alalla on syntynyt hybridiantureita, joissa ML-tekniikat voivat havaita ihmisen liikkeistä syntyvän biomekaanisen energian. Nämä anturit virvoittavat jalkojen kuntoutuslaitteita ja auttavat ihon alla tapahtuvassa biomekaanisessa liikkeessä sekä monitoimisen paineen havaitsemisen ja ihmisen eleiden tunnistamisen ratkaisuissa. 

Tulevaisuuden tie paristottomalle, itsevirtaavalle tulevaisuudelle

Yksi alue, jossa itsevirtaavat, paristottomat anturit auttavat merkittävästi, on IoT:n maailmanlaajuinen käyttöönotto. Arviot osoittavat, että laajamittainen IoT:n käyttöönotto vaatii korvaamaan yksi miljardi paristoa päivittäin. Energiankeruumenetelmät auttavat varmasti. 

Kuitenkin itsevirtaavien antureiden tulevaisuus voi saavuttaa todellisen potentiaalinsa vain, jos se ratkaisee muutaman pullonkaulan. Elektroniikan on oltava valmis ottamaan tehokkaasti vastaan ja hyödyntämään pienitehoisia energianlähteitä, joita energiankeruumenetelmät tuottavat. 

Maailman on nähtävä enemmän edistystä elektronisten laitteiden kehittämisessä, jotka voivat toimia tehokkaasti alhaisella aktiivisella prosessointiteholla. Pintakapasiteetin, jonka kosketuselektrifikaatio tuottaa, on lisättävä, jotta kerättävä energia riittää päivittäisten elektroniikkalaitteiden virtaamiseen. Ihmisen liikkeen havaitsemiseen menestyksellisesti tarvitaan myös tehokasta saatavilla olevan datan hallintaa. 

Kun nämä haasteet on asianmukaisesti ratkaistu, itsevirtaavat anturit voivat merkittävästi yksinkertaistaa ja parantaa jokapäiväistä käyttöä. Ne raivaavat tietä energialle, jonka hiilijalanjälki on mahdollisimman pieni ja joka on kestävää perimmiltään.