बैटरियों की ज़रूरत किसे है? सेल्फ‑पावर्ड सेंसर सिस्टम को सरल और बेहतर बना सकते हैं

बढ़ती ऊर्जा मांग और इसे कैसे पूरा किया जाए, दुनिया के सामने सबसे गंभीर चिंताओं में से एक है। न केवल उत्पादन की मात्रा एक चुनौती है जिसे संबोधित करने की आवश्यकता है, बल्कि उत्पादन का स्वरूप भी सतत और कार्बन उत्सर्जन से मुक्त होना चाहिए। 

वैज्ञानिक, शोधकर्ता, तकनीशियन, संस्थान और सरकारी संगठन विश्व भर में इस ऊर्जा चुनौती का समाधान खोजने के लिए अपना सर्वश्रेष्ठ प्रयास कर रहे हैं। कई सफल प्रयासों ने स्थिति को बेहतर बनाने में मदद की है। 

इन सबके बीच, MIT के शोधकर्ताओं के एक समूह ने एक बैटरी‑रहित, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर विकसित किया है जो पर्यावरण से ऊर्जा संग्रह कर सकता है। चलिए इस तकनीक को गहराई से समझते हैं और जानते हैं कि यह क्यों एक महत्वपूर्ण नवाचार है। 

MIT शोधकर्ताओं द्वारा विकसित बैटरी‑रहित, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर

इन सेंसरों को रिचार्जेबल या बदलने योग्य बैटरियों की आवश्यकता नहीं होती। इन्हें वायरिंग की भी जरूरत नहीं होती, जिससे इन्हें उन कठिन पहुँच वाले स्थानों में स्थापित करना आसान हो जाता है। मूलतः, ये सेंसर तापमान‑संवेदनशील उपकरण हैं जो खुले हवा में एक तार के आसपास के चुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा प्राप्त कर काम कर सकते हैं। 

इन सेंसरों को स्थापित करना इतना सरल है कि उन्हें बिजली ले जाने वाले तार, जैसे मोटर को चलाने वाले तार, के चारों ओर क्लिप कर दिया जाए। एक बार क्लिप करने के बाद, सेंसर ऊर्जा को संग्रहित और उपयोग दोनों कर सकता है। इसके अतिरिक्त, यह उपकरण मोटर का तापमान मॉनिटर कर सकता है, साथ ही मशीन की पावर खपत और संचालन डेटा को विस्तारित अवधि तक एकत्र कर सकता है।

डैनिएले मोनाग्ले, जो इस नवाचार को उजागर करने वाले अध्ययन के मुख्य लेखक हैं, ने बताया कि यह पेपर IEEE Xplore में प्रकाशित है:

“हमने एक बैटरी‑रहित सेंसर का उदाहरण दिया है जो उपयोगी कार्य करता है और दिखाया है कि यह व्यावहारिक रूप से लागू किया जा सकता है। अब, आशा है कि अन्य लोग हमारे फ्रेमवर्क को अपनाकर अपने सेंसर डिज़ाइन करेंगे।”

नवाचार और इसकी उपयोगिता के बारे में बात करते हुए, संयुक्त राज्य नौसेना अकादमी के हथियार एवं नियंत्रण इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर जॉन डोनाल ने कहा: 

“इस तरह की ऊर्जा‑संग्रह प्रणाली जहाज़ों पर विभिन्न डायग्नोस्टिक सेंसर को रेट्रोफ़िट करने और रखरखाव की कुल लागत को काफी घटाने में सक्षम बना सकती है।”

शोधकर्ता मानते हैं कि यह नवाचार ऊर्जा‑संग्रह की दुनिया में एक मूल्यवान जोड़ है क्योंकि यह हार्वेस्टर स्रोत और सेंसर लोड के बीच एक कुशल इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा प्रबंधन इंटरफ़ेस के रूप में कार्य करता है। 

विकास परीक्षण के दौरान, सिस्टम ने सफल कोल्ड‑स्टार्ट क्षमताएँ प्रदर्शित कीं, जिसमें डिस्क्रीट लॉजिक का उपयोग किया गया, और कुछ हार्वेस्टर वोल्टेज लोड स्थितियों में औसत पावर हार्वेस्ट वृद्धि लगभग 400% तक पहुंची। यह हाइस्टेरिसिस नियंत्रण विधि के तहत काम करता था जो 50 मेगावॉट तक की सेंसर लोड को सेवा दे सकता था। 

यह कार्य नेवल रिसर्च ऑफिस और ग्रेन्जर फाउंडेशन द्वारा आंशिक रूप से समर्थित था। मूल रूप से, इन उपकरणों की मॉनिटरिंग और सेंसरिंग क्षमताओं के कई अनुप्रयोग शिपिंग क्षेत्र में हो सकते हैं। 

उदाहरण के तौर पर, जहाज़ पर पावर तक पहुंचना और उसे मॉनिटर करना कठिन होता है क्योंकि आउटलेट की संख्या सीमित होती है और प्लग‑इन उपकरणों के प्रकार पर कड़ी प्रतिबंध होते हैं। 

जबकि जहाज़ को पंप के कंपन को मापने और बेयरिंग व माउंट की वास्तविक‑समय स्थिति जानने से काफी लाभ मिल सकता है, रेट्रोफ़िट सेंसरों को पावर देना भारी निवेश‑भारी बुनियादी ढाँचा बनाता है। ये सेल्फ‑पावर्ड सेंसर सिस्टम जहाज़ों पर विभिन्न डायग्नोस्टिक सेंसरों को रेट्रोफ़िट करने की संभावना प्रदान करते हैं, जिससे रखरखाव लागत में उल्लेखनीय कमी आती है। 

इसके अलावा, इन सेंसरों द्वारा किया गया ऊर्जा‑संग्रह केवल चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर नहीं है। वे कंपन या सूर्य के प्रकाश से भी ऊर्जा संग्रह कर सकते हैं और फैक्ट्रियों, वेयरहाउस और व्यावसायिक स्थानों के लिए मध्यम स्थापना और रखरखाव लागत पर व्यापक सेंसर नेटवर्क बनाने की क्षमता प्रदान करते हैं। 

ऊर्जा‑संग्रह और आसपास के चुंबकीय क्षेत्रों, ध्वनि कंपन या सूर्य के प्रकाश से आवश्यक ऊर्जा प्राप्त करने के बारे में ये सभी चर्चाएँ उन लोगों को याद दिला सकती हैं जो पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री से परिचित हैं। लेकिन यहाँ अंतर हैं। 

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सेल्फ‑पावर्ड सेंसर पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री से अलग हैं

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री तनाव के तहत रखे जाने पर विद्युत वोल्टेज उत्पन्न कर सकती है। शक्ति उत्पादन के पीछे के कारक मोड़ना, खींचना या कंपन हो सकते हैं। इन तरीकों से विद्युत उत्पन्न करने को वेव‑एनर्जी डिवाइस के माध्यम से उपयोग किया जा सकता है। 

पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी को समुद्री पावर जेनरेशन तकनीक के रूप में भी उपयोग किया गया है। हालांकि, यह यहाँ चर्चा किए गए सेल्फ‑पावर्ड सेंसर सिस्टम से अलग है क्योंकि यह केवल सिस्टम का एक भाग है। 

वैज्ञानिक पेपर जो सेल्फ‑पावर्ड सेंसर के ऊर्जा प्रबंधन डिजाइन को विस्तृत करता है, दर्शाता है कि इसमें तीन प्रमुख घटक होते हैं: हार्वेस्टर स्रोत, कोर ऊर्जा प्रबंधन मॉड्यूल, और सेंसर नोड। 

पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी एक हार्वेस्टर स्रोत है। अन्य हार्वेस्टर स्रोतों में सोलर सेल, CT MEH स्रोत, और थर्मोइलेक्ट्रिक या ट्राइबोइलेक्ट्रिक स्रोत शामिल हो सकते हैं। 

संक्षेप में, एक सेल्फ‑पावर्ड सेंसर केवल पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री या पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी की घटना से अधिक है। इसलिए, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग पाए जाते हैं। 

आने वाले भागों में, हम उन कंपनियों को देखेंगे जो ऐसे सेंसर बनाती या उपयोग करती हैं। 

#1. EnOcean: सुरक्षित इमारतों के लिए सेल्फ‑पावर्ड सेंसर

EnOcean के वायरलेस सेल्फ‑पावर्ड सेंसर पर्यावरणीय प्रकाश से ऊर्जा प्राप्त करते हैं, सोलर सेल का उपयोग करके। इसके अलावा, ये सेंसर सबसे छोटे तापमान अंतर से भी ऊर्जा निकाल सकते हैं। ऊर्जा‑संग्रह के साथ-साथ, वे कच्चा डेटा एकत्रित करके स्मार्ट बिल्डिंग की ऊर्जा गतिशीलता का विश्लेषण और विज़ुअलाइज़ेशन करने में मदद करते हैं। इसके अलावा, तापमान के अलावा, ये सेंसर आर्द्रता, प्रकाश और इमारत के विभिन्न स्थानों एवं कमरों के उपयोग की जानकारी भी प्रभावी रूप से प्राप्त करते हैं।

EnOcean के पास अपने सेल्फ‑पावर्ड सेंसर पोर्टफ़ोलियो में विभिन्न उत्पाद हैं, जिनमें ऊर्जा‑संग्रह वायरलेस सेंसर मॉड्यूल, थर्मल ऊर्जा हार्वेस्टर के लिए अल्ट्रा‑लो पावर DC/DC कनवर्टर, ऊर्जा‑संग्रह मैग्नेटिक कॉन्टैक्ट ट्रांसमीटर मॉड्यूल और वायरलेस तापमान सेंसर मॉड्यूल, आर्द्रता सेंसर मॉड्यूल आदि शामिल हैं। 

EnOcean ने STM 550 को अपने सेल्फ‑पावर्ड सेंसर परिवार में प्रमुख उत्पाद के रूप में स्थापित किया है। यह एक ऊर्जा‑संग्रह वायरलेस सेंसर है जिसका कई डिजिटल इमारतों में उपयोग होता है। यह एक मल्टी‑सेंसर उत्पाद है जो मैग्नेटिक कॉन्टैक्ट, एक्सेलेरेशन, आर्द्रता, प्रकाश और तापमान के पाँच विभिन्न सेंसर को एक साथ जोड़ता है। 

सेंसर में एक सोलर सेल अंतर्निहित है, जो सभी परिचालन ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। जब सूर्य का प्रकाश उपलब्ध नहीं होता, तब भी आंतरिक रूप से संग्रहीत ऊर्जा सिस्टम को कार्यशील रखती है। अंत में, NFC इंटरफ़ेस NFC रीडर, स्मार्टफ़ोन या टैबलेट के माध्यम से आसान कॉन्फ़िगरेशन और एक्सेस सुनिश्चित करता है। 

EnOcean द्वारा प्रकाशित एक आंतरिक दस्तावेज़ के अनुसार, कंपनी ने FY 21 और FY 22 में क्रमशः US$21 मिलियन और US$23.2 मिलियन का राजस्व दर्ज किया, जिसमें अधिग्रहित संपत्तियों से आय शामिल नहीं है। FY 23 के लिए कंपनी ने US$35 मिलियन का राजस्व अनुमानित किया है। 

कंपनी ने रणनीतिक और वित्तीय निवेशकों की एक मजबूत पाइपलाइन भी प्रदर्शित की है, जिसमें Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens और Emerald Technology Ventures शामिल हैं। 

#2. ONiO: बैटरी‑लेस भविष्य की दिशा में कार्य

एक और कंपनी जो बैटरी‑लेस भविष्य की मांग को पूरा करने के लिए कड़ी मेहनत कर रही है, वह है ONiO। 

इसका प्रमुख उत्पाद, ONiO.zero, एक छोटा वायरलेस माइक्रोकंट्रोलर है जो बैटरियों को बदलने की आवश्यकता को समाप्त करता है। इसे एक छोटे सिलिकॉन टुकड़े पर स्थापित किया गया है जिसमें न्यूनतम ऊर्जा को संचित करने के लिए आवश्यक विद्युत सर्किट्री मौजूद है। 

यह नैनो‑साइज़ सिस्टम प्रोग्राम चला सकता है, बाहरी सेंसरों से जुड़ सकता है और वायरलेस रूप से संचार कर सकता है। यह पर्यावरणीय नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स को पावर देता है, जिससे उपयोगकर्ता RF, सोलर और थर्मोइलेक्ट्रिक ऊर्जा को अपने लाभ के लिए पूरी तरह से उपयोग कर सकें। 

ONiO.Zero कई माइक्रोकंट्रोलर उपकरणों को पावर देता है, जिसमें एक बैटरी‑लेस रिमोट कंट्रोल भी शामिल है। रिमोट कंट्रोल को संचालित करने में, ONiO.zero कम‑पावर PDM इंटरफ़ेस को लागू करता है जो कम‑पावर माइक्रोफ़ोन को जोड़ता है। यह इंटरफ़ेस 300 KHz से 12 MHz तक की सैंपलिंग गति का समर्थन करता है, साथ ही फ्रैक्शनल बिटरेट का अतिरिक्त समर्थन भी देता है। इसके अलावा, एक कैपेसिटिव टच इंजन का एकीकरण यह सुनिश्चित करता है कि रिमोट को संचालन के लिए कोई आंतरिक ऑसिलेटर की आवश्यकता नहीं होती और यह पूरी तरह से स्व‑क्लॉक्ड है। यह डिज़ाइन इसे अत्यंत कम पावर पर चलने और सिस्टम के बाकी हिस्सों को असिंक्रोनस रूप से जागृत करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, अल्ट्रा‑लो‑पावर ऑसिलेटर इस प्रकार डिज़ाइन किया गया है कि 64 बटनों में से किसी भी बटन के दबाव से CPU जागृत हो सकता है। 

जुलाई 2023 में, ONiO ने अपने बैटरी‑लेस इलेक्ट्रॉनिक शेल्फ लेबल को लॉन्च किया। ये 100 % सेल्फ‑पावर्ड हैं और किसी बैटरी की आवश्यकता नहीं होती। पारंपरिक शेल्फ लेबल दो कॉइन सेल का उपयोग करते हैं, और औसत कंवीनियंस स्टोर में लगभग 6,000 ऐसे लेबल होते हैं, जिससे एक ही स्टोर से लगभग 12,000 कॉइन सेल समुद्र और लैंडफ़िल में निपटाए जाते हैं। 

ONiO के सेल्फ‑पावर्ड बैटरी‑लेस इलेक्ट्रॉनिक शेल्फ लेबल हमारे ग्रह को इन लाखों बैटरियों से उत्पन्न विषाक्त कचरे से बचा सकते हैं। 

कंपनी ने 2017, 2018 और 2021 में क्रमशः प्री‑सीड, सीड और ब्रिज फंडिंग राउंड पूरा किया और 2024 तक सीरीज़ A पूरा करने की उम्मीद है। नवीनतम उपलब्ध फंडिंग डेटा के अनुसार, कंपनी ने मई 2020 में यूरोपीय इनोवेशन काउंसिल से लगभग 2.5 मिलियन यूरो ग्रांट प्राप्त किया है। 

#3. Clarity Movement Co.: स्वच्छ वायु आंदोलन को आगे बढ़ाने के लिए एयर सेंसर तकनीक का उपयोग

बर्कले, कैलिफ़ोर्निया, संयुक्त राज्य में स्थित Clarity Movement Co. अपना प्रमुख पार्टिकुलेट मैटर और नाइट्रोजन डाइऑक्साइड मॉनिटर, जिसका नाम Clarity Node‑S है, प्रदान करता है। यह एक सेल्फ‑पावर्ड समाधान है जिसे FCC/CE प्रमाणन प्राप्त है। मूल रूप से, यह एक IoT एयर क्वालिटी मॉनिटरिंग सिस्टम है जो सौर ऊर्जा संग्रह के सिद्धांत पर कार्य करता है। 

इसमें अत्याधुनिक डेटा प्रबंधन क्षमताएँ हैं जिन्हें किसी भी प्रोजेक्ट स्केल के अनुसार मॉड्यूलेट किया जा सकता है। एयर क्वालिटी मॉनिटरिंग हार्डवेयर के रूप में PM2.5 और नाइट्रोजन‑डाइऑक्साइड को मापने के अलावा, Clarity Node‑S हवा, ब्लैक कार्बन और ओज़ोन को भी मापने वाला प्लेटफ़ॉर्म है। इसका उपयोगकर्ता‑मैत्रीपूर्ण डैशबोर्ड एयर क्वालिटी माप और एयर नेटवर्क स्थिति डेटा को सबसे सुलभ तरीके से प्रस्तुत करता है। 

Clarity Movement ने अब तक कुल पाँच फंडिंग राउंड पूरे किए हैं, जिसमें नवीनतम सीरीज़ A जुलाई 24, 2022 को हुआ। रिपोर्ट के अनुसार, इस राउंड में US$9.6 मिलियन की फंडिंग जुटाई गई। 

बैटरी‑लेस, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर समाधान बनाने वाली कंपनियों के अलावा, ऐसे अनुप्रयोग क्षेत्र भी हैं जो इसकी व्यवहार्यता का अध्ययन कर रहे हैं और उसी के अनुसार विकास कर रहे हैं। 

स्वास्थ्य देखभाल से लेकर इंटेलिजेंट बिल्डिंग सिस्टम तक: सेल्फ‑पावर्ड सेंसर का उपयोग

सेंसरों का उपयोग स्वास्थ्य देखभाल, पहनने योग्य उद्योग, व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑटोमोबाइल, इमारतों, खाद्य मॉनिटरिंग, रोबोटिक्स, पर्यावरणीय मॉनिटरिंग आदि में किया गया है। सेल्फ‑पावर्ड सेंसर इन लाभों को और अधिक उजागर करते हैं। 

अब, मशीन लर्निंग तकनीकों को सेल्फ‑पावर्ड सेंसर सिस्टम में एकीकृत करने की दिशा में विकास हो रहा है। विशेषज्ञों का मानना है कि सेल्फ‑पावर्ड सेंसर को ML क्षमताओं से सुसज्जित करने से इंटरनेट ऑफ थिंग्स के बड़े पैमाने पर तैनाती के नए रास्ते खुलेंगे। 

सेल्फ‑पावर्ड वायरलेस ऑप्टिकल ट्रांसमिशन के लिए दबाव डिटेक्शन पर सफल शोध किया गया है। वैज्ञानिकों ने 3D‑प्रिंटेड इलास्टोमेरिक मेटल‑कोर ट्राइबोइलेक्ट्रिक कलाई बैंड, पार्किंसंस के लिए ट्रेमर सेंसर, स्मार्ट सॉक्स और इंटेलिजेंट ड्राइवर असिस्टेंस सिस्टम विकसित किए हैं—सभी सेल्फ‑पावर्ड सेंसर का उपयोग करके। 

स्वास्थ्य देखभाल और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के क्षेत्र में, हाइब्रिड सेंसर जो ML तकनीकों के साथ मानव गति द्वारा उत्पन्न बायोमैकेनिकल ऊर्जा का पता लगा सकते हैं, उभरे हैं। ये सेंसर पैर पुनर्वास उपकरणों को पावर देते हैं और ऑन‑स्किन बायोमैकेनिकल मोशन, बहु‑कार्यात्मक दबाव सेंसरिंग और मानव इशारा पहचान समाधान प्रदान करते हैं। 

बैटरी‑रहित, सेल्फ‑पावर्ड भविष्य की राह

एक ऐसा क्षेत्र जहाँ सेल्फ‑पावर्ड, बैटरी‑लेस सेंसर अत्यधिक मदद करेंगे, वह है वैश्विक स्तर पर IoT का तैनाती। अनुमान है कि बड़े पैमाने पर IoT तैनाती के लिए प्रतिदिन एक अरब बैटरियों की आवश्यकता होगी। ऊर्जा‑संग्रह तकनीकें निश्चित रूप से मदद करेंगी। 

हालाँकि, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर का भविष्य तभी अपनी पूरी क्षमता तक पहुँच सकता है जब वह कुछ बाधाओं को हल कर सके। इलेक्ट्रॉनिक्स का क्षेत्र छोटे पावर जेनरेशन मोडालिटीज़ को कुशलतापूर्वक स्वीकारने और उपयोग करने के लिए तैयार होना चाहिए, जो ऊर्जा‑संग्रह तकनीकों द्वारा उत्पन्न होते हैं। 

दुनिया को कम सक्रिय प्रोसेसिंग पावर पर कुशलता से चलने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास में अधिक प्रगति देखनी होगी। संपर्क इलेक्ट्रिफिकेशन द्वारा उत्पन्न सतह चार्ज को बढ़ाना आवश्यक है ताकि पर्याप्त ऊर्जा संग्रहित हो सके जो हमारे दैनिक‑जीवन के इलेक्ट्रॉनिक गैजेट्स को पावर दे सके। मानव गति पहचान गतिविधियों में सफल अनुप्रयोग के लिए उपलब्ध डेटा का प्रभावी प्रबंधन भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा। 

इन चुनौतियों को पर्याप्त रूप से संबोधित करने पर, सेल्फ‑पावर्ड सेंसर उन सिस्टमों को सरल और बेहतर बना सकते हैं जिन्हें हम रोज़मर्रा में उपयोग करते हैं। यह सबसे कम कार्बन फुटप्रिंट वाली और मूल रूप से सतत ऊर्जा की दिशा में मार्ग प्रशस्त करेगा।