Wie heeft batterijen nodig? Zelf‑voedende sensoren kunnen systemen vereenvoudigen en verbeteren

De groeiende energievraag en hoe deze te voldoen is een van de meest urgente zorgen waarmee de wereld wordt geconfronteerd. Niet alleen is het productievolume een uitdaging die moet worden aangepakt, maar de aard van de productie moet duurzaam zijn en vrij van CO₂‑emissies. 

Wetenschappers, onderzoekers, technici, instellingen en overheidsorganisaties wereldwijd doen hun best om efficiënte oplossingen voor deze energie‑uitdaging te bedenken. Veel succesvolle pogingen hebben bijgedragen aan een verbetering van de situatie. 

Te midden van dit alles heeft een groep MIT‑onderzoekers een batterijvrije, zelf‑voedende sensor ontwikkeld die energie uit de omgeving kan oogsten. Laten we dieper ingaan en begrijpen wat deze technologie betekent en waarom het een belangrijke innovatie is. 

Batterijvrije, zelf‑voedende sensoren van MIT‑onderzoekers

Deze sensoren hebben geen oplaadbare of vervangbare batterijen nodig. Ze vereisen ook geen bedrading, waardoor ze makkelijker te plaatsen zijn op moeilijk bereikbare locaties. In essentie zijn dit temperatuursensoren die kunnen overleven op energie die wordt onttrokken aan het aangrenzende magnetische veld rond een draad in de open lucht. 

Het inzetten van deze sensoren is zo simpel als ze om een stroomvoerende draad te klemmen, zoals die een motor van stroom voorziet. Eenmaal geklemd, is de installatie voldoende voor het apparaat om zowel energie te oogsten als op te slaan. Daarnaast kan het apparaat de temperatuur van de motor monitoren, evenals gegevens verzamelen over het energieverbruik en de werking van de machine over een langere periode.

Volgens Daniele Monagle, de hoofdautor van de studie die deze innovatie belicht als een paper gepubliceerd in IEEE Xplore:

“We hebben een voorbeeld gegeven van een batterijloze sensor die iets nuttigs doet en aangetoond dat het een praktisch realiseerbare oplossing is. Nu zullen anderen hopelijk ons kader gebruiken om de bal aan het rollen te krijgen en hun sensoren te ontwerpen.”

Terwijl hij sprak over de innovatie en de toegevoegde waarde, zei John Donnal, universitair hoofddocent weapons and controls engineering aan de United States Naval Academy: 

“Energie‑oogstsystemen zoals dit zouden het mogelijk kunnen maken om een breed scala aan diagnostische sensoren op schepen te retrofitten en de totale onderhoudskosten aanzienlijk te verlagen.”

De onderzoekers geloven dat deze innovatie een waardevolle aanvulling is op de wereld van energie‑oogsten, omdat het fungeert als een efficiënt elektronisch energie‑beheersinterface tussen de oogstbron en de sensorbelasting. 

Het systeem vertoonde tijdens de ontwikkeltests succesvolle cold‑startmogelijkheden die discrete logica gebruiken, met een gemiddelde vermogensverhoging van bijna 400 % onder bepaalde oogstspannings‑belastingcondities. Het werkte onder een hysteretische regelmethode die een sensorbelasting tot 50 megawatt kon bedienen. 

Het werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Office of Naval Research en de Grainger Foundation. Fundamentaal kunnen de monitor‑ en sensormogelijkheden van deze apparaten tal van toepassingen hebben in de scheepvaart. 

Zo is het bijvoorbeeld moeilijk om op een schip stroom te benaderen en te monitoren, omdat er een beperkt aantal stopcontacten is en strikte beperkingen gelden voor het type apparatuur dat kan worden aangesloten. 

Hoewel een schip aanzienlijk zou profiteren van het meten van de trillingen van een pomp en real‑time informatie over de gezondheid van lagers en bevestigingen zou kunnen krijgen, is het aandrijven van retrofit‑sensoren een investering‑intensieve infrastructuur. Deze zelf‑voedende sensorsystemen maken het mogelijk om een reeks diagnostische sensoren op schepen te retrofitten, waardoor de onderhoudskosten sterk dalen. 

Bovendien is de energie‑oogst die deze sensoren uitvoeren niet alleen afhankelijk van magnetische velden. Ze kunnen energie oogsten uit trillingen of zonlicht en bieden de mogelijkheid om volledige sensornetwerken voor fabrieken, magazijnen en commerciële ruimtes te bouwen tegen zeer gematigde installatie‑ en onderhoudskosten. 

Al deze discussies over energie‑oogsten en het halen van de benodigde energie uit omringende magnetische velden, geluidstrillingen of zonlicht kunnen bij diegenen die bekend zijn met piezo‑elektrische materialen een belletje doen rinkelen. Maar er zijn verschillen. 

Klik hier om meer te leren over duurzame energiebronnen en hun adoptiesnelheden.

De zelf‑voedende sensoren verschillen van piezo‑elektrische materialen

De piezo‑elektrische materialen kunnen een elektrische spanning produceren wanneer ze onder stress worden geplaatst. De drijvende factoren achter de energie‑generatie kunnen buigen, rekken of trillingen zijn. Het is mogelijk om deze manieren van elektriciteitsopwekking te benutten via een golf‑energie‑apparaat. 

Piezo‑elektriciteit is ook ingezet als een mariene energie‑generatietechnologie. Het verschilt echter van de zelf‑voedende sensorsystemen die hier worden besproken, omdat ze slechts een onderdeel van het systeem vormen. 

Het wetenschappelijke artikel dat het energie‑beheersontwerp voor zelf‑voedende sensoren beschrijft, toont aan dat er drie brede componenten zijn. Er is de oogstbron, de kern‑energie‑beheermodule en het sensorknooppunt. 

Piezo‑elektriciteit is een van de oogstbronnen. Er kunnen meer dergelijke oogstbronnen zijn, waaronder zonnecellen, CT‑MEH‑bronnen, en thermoelectrische of tribo‑elektrische bronnen. 

Samengevat is een zelf‑voedende sensor meer dan een piezo‑elektrisch materiaal of het fenomeen piezo‑elektriciteit op zich. En daarom vinden zelf‑voedende sensoren een breed scala aan toepassingen. 

In de komende segmenten zullen we kijken naar bedrijven die dergelijke sensoren vervaardigen of gebruiken. 

#1. EnOcean: Zelf‑voedende sensoren voor veilige gebouwen

De draadloze zelf‑voedende sensoren van EnOcean halen energie uit omgevingslicht, gebruikmakend van zonnecellen. Niet alleen dat, maar deze sensoren kunnen ook energie extraheren uit de kleinste temperatuurverschillen. Naast energie‑oogsten kunnen ze ruwe data verzamelen, wat helpt bij de analyse en visualisatie van de energiedynamiek van een slim gebouw. Bovendien, naast temperatuur, verkrijgen deze sensoren efficiënt informatie over luchtvochtigheid, licht en hoe ruimtes en bepaalde kamers van een gebouw worden gebruikt.

EnOcean heeft een verscheidenheid aan producten in haar portfolio van zelf‑voedende sensoren, waaronder energie‑oogstende draadloze sensormodules, ultra‑lage‑vermogen DC/DC‑omzetters voor thermische energie‑oogsters, energie‑oogstende magnetische contact‑zendermodules en draadloze temperatuursensormodules, luchtvochtigheidssensormodules, en meer. 

EnOcean positioneert STM 550 als het vlaggenschipproduct in haar familie van zelf‑voedende sensoren. Het is een energie‑oogstende draadloze sensor met vele toepassingen in gedigitaliseerde gebouwen. Het is een multisensorproduct dat vijf verschillende sensoren combineert die werken op magnetisch contact, acceleratie, luchtvochtigheid, verlichting en temperatuur. 

De sensor wordt geleverd met een geïntegreerde zonnecel, die kan voldoen aan alle operationele energiebehoeften. Zelfs wanneer er geen zonlicht beschikbaar is, zorgt de intern opgeslagen geoogste energie ervoor dat het systeem functioneel blijft. Ten slotte zorgt de NFC‑interface voor eenvoudige configureerbaarheid en toegang via een NFC‑lezer, smartphone of tablet. 

Volgens een intern document gepubliceerd door EnOcean, noteerde het bedrijf een omzet van US$21 miljoen en US$23,2 miljoen in respectievelijk FY 21 en FY 22, zonder inkomsten uit verworven activa mee te rekenen. Voor FY 23 projecteerde het bedrijf een omzet van US$35 miljoen. 

Het bedrijf toonde ook een sterke pijplijn van strategische en financiële investeerders, waaronder Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens en Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Werken aan een batterijloze toekomst

Een ander bedrijf dat hard werkt aan het vervullen van de eisen van een zelf‑voedende toekomst is ONiO. 

Het vlaggenschipproduct, ONiO.zero, is een kleine draadloze microcontroller die batterijen kan vervangen. Het is gegroepeerd op een piepklein stukje silicium dat de benodigde elektrische schakelingen bevat om de kleinste hoeveelheden energie te accumuleren. 

Dit nanoschaal‑systeem kan programma’s uitvoeren, verbinding maken met externe sensoren en draadloos communiceren. Het maakt gebruik van omgevings‑hernieuwbare energie om micro‑elektronica van stroom te voorzien, zodat gebruikers volledig kunnen profiteren van RF, zonne‑ en thermoelectrische energie. 

ONiO.Zero voedt vele microcontroller‑apparaten, waaronder een batterijloze afstandsbediening. Bij het bedienen van de afstandsbediening implementeert ONiO.zero een low‑power PDM‑interface voor het aansluiten van low‑power microfoons. Deze interface ondersteunt bemonsteringssnelheden van 300 kHz tot 12 MHz, met extra ondersteuning voor fractionele bitrate. Bovendien betekent de integratie van een capacitieve touch‑engine dat de afstandsbediening geen interne oscillator nodig heeft voor werking en volledig zelf‑klokt is. Dit ontwerp maakt het mogelijk om op extreem laag vermogen te draaien en asynchroon de rest van het systeem wakker te maken. Daarnaast is de ultra‑low‑power oscillator zo ontworpen dat elke toetsaanslag, van een totaal van 64 knoppen, de CPU kan activeren. 

In juli 2023 onthulde ONiO zijn batterijloze elektronische schaplabels. Deze zijn 100 % zelf‑voedend en vereisen helemaal geen batterijen. Traditionele schaplabels gebruiken twee muntcellen elk, en een gemiddelde gemakswinkel gebruikt bijna 6.000 van deze labels, wat resulteert in frequente verwijdering van bijna 12.000 muntcellen in oceanen en stortplaatsen van één enkele winkel. 

De zelf‑voedende batterijloze elektronische schaplabels van ONiO kunnen onze planeet redden van toxisch afval dat door zulke miljoenen batterijen wordt gegenereerd. 

Het bedrijf voltooide zijn pre‑seed, seed en bridge financieringsrondes in 2017, 2018 en 2021, respectievelijk en verwacht de Series A in 2024 af te ronden. De laatst beschikbare financieringsgegevens suggereren dat het bedrijf ongeveer 2,5 miljoen euro ontving als subsidie van de European Innovation Council in mei 2020. 

#3. Clarity Movement Co.: Lucht‑sensingtechnologie benutten om de Clean‑Air‑beweging te leiden

Gevestigd in Berkeley, Californië, Verenigde Staten, biedt Clarity Movement Co. haar vlaggenschip‑partikelaat‑ en stikstofdioxide‑monitor aan onder de naam Clarity Node‑S. Het is een zelf‑voedende oplossing die FCC/CE‑certificering heeft behaald. In de kern is het een IoT‑luchtkwaliteitsmonitoringsysteem dat werkt op de principes van zonne‑energie‑oogsten. 

Het beschikt ook over geavanceerde datamanagement‑mogelijkheden die kunnen worden aangepast aan elke projectgrootte. Naast het dienen als hardware voor luchtkwaliteitsmonitoring die PM2.5 en stikstofdioxide meet, fungeert Clarity Node‑S ook als een platform dat wind, zwarte koolstof en ozon kan meten. Het gebruiksvriendelijke dashboard biedt luchtkwaliteitsmetingen en netwerkstatusgegevens op de meest toegankelijke manier. 

Clarity Movement heeft tot nu toe vijf financieringsrondes gehad, met de laatste Series A op 24 juli 2022. Naar verluidt werd de ronde afgesloten met een bedrag van US$9,6 miljoen aan opgehaalde fondsen. 

Naast de bedrijven die batterijloze, zelf‑voedende sensoroplossingen vervaardigen, zijn er toepassingsgebieden die de haalbaarheid bestuderen en ontwikkelingen maken. 

Van gezondheidszorg tot intelligente gebouwsystemen: Het gebruik van zelf‑voedende sensoren

Sensoren worden gebruikt in de gezondheidszorg, de wearables‑industrie, de persoonlijke elektronica, auto’s, gebouwen, voedselmonitoring, robotica, milieumonitoring en meer. De voordelen van sensoren zijn verder versterkt door zelf‑voedende sensoren. 

Nu is er ontwikkeling gaande rond het integreren van machine‑learning‑technieken in zelf‑voedende sensorsystemen. Experts geloven dat het verrijken van zelf‑voedende sensoren met ML‑mogelijkheden nieuwe wegen zal openen voor grootschalige inzet van het Internet of Things. 

Succesvol onderzoek is uitgevoerd rond zelf‑voedende draadloze optische transmissie voor draadloze drukdetectie. De wetenschappelijke wereld heeft ook de ontwikkeling gezien van 3D‑geprinte elastomere metaal‑kern tribo‑elektrische polsbanden, trillingssensoren voor Parkinson, slimme sokken en intelligente bestuurdersassistentiesystemen – allemaal gericht op het benutten van zelf‑voedende sensoren. 

Op het gebied van gezondheidszorg en biomedische toepassingen zijn hybride sensoren met ML‑technieken ontstaan die biomechanische energie die door menselijke bewegingen wordt uitgezonden kunnen detecteren. Deze sensoren voeden beenrevalidatie‑apparaten en helpen bij op‑huid‑geactiveerde biomechanische bewegingen en multifunctionele druksensoren en menselijke gebarenherkenningsoplossingen. 

De weg vooruit voor een batterijvrije, zelf‑voedende toekomst

Een van de gebieden waar zelf‑voedende, batterijloze sensoren enorm zullen helpen, is de wereldwijde inzet van IoT. Schattingen suggereren dat grootschalige IoT‑implementatie vereist dat er dagelijks een miljard batterijen vervangen moeten worden. Energie‑oogsttechnieken zullen zeker helpen. 

Echter, de toekomst van zelf‑voedende sensoren kan alleen haar ware potentieel bereiken als ze een aantal knelpunten oplost. Het domein van elektronica moet klaar worden om efficiënt kleine vermogensgeneratiemodaliteiten, die voortkomen uit energie‑oogsttechnieken, te accepteren en te benutten. 

De wereld moet meer vooruitgang zien in de ontwikkeling van elektronische apparaten die efficiënt kunnen draaien op lage actieve verwerkingsvermogens. De oppervlaktelading die contact‑elektrificatie genereert, moet toenemen om voldoende energie te oogsten die onze alledaagse elektronische gadgets kan aandrijven. Voor succesvolle toepassing in activiteiten voor menselijke bewegingsdetectie zal effectief beheer van de beschikbare data ook een cruciale rol spelen. 

Met deze uitdagingen adequaat aangepakt, kunnen zelf‑voedende sensoren een grote bijdrage leveren aan het vereenvoudigen en verbeteren van systemen die we dagelijks gebruiken. Ze zullen de weg banen voor energie met de kleinste CO₂‑voetafdruk en die in de kern duurzaam is.