حسگر گرافنی بی نیاز از باتری با انرژی سیم کشی

یک حسگر دما را تصور کنید که هرگز به باتری نیاز ندارد. کوچک است. بی‌صداست. روی دیوار تقریبا دیده نمی‌شود. انرژی خود را از همان زمزمه نامحسوس سیم‌هایی می‌گیرد که پشت پریزهای خانه شما قرار دارند.

پژوهشگران دانشگاه آرکانزاس و دانشگاه میشیگان دقیقا چنین چیزی ساخته‌اند: یک برداشت‌کننده انرژی مبتنی بر گرافن که میدان‌های مغناطیسی ضعیف اطراف سیم‌کشی جریان متناوب را جذب می‌کند و آن‌ها را به برق قابل استفاده تبدیل می‌کند. این دستگاه در سطح توان نانووات کار می‌کند، یعنی میلیاردم وات، پس انرژی را آرام، هوشمندانه و با مصرفی بسیار ناچیز دریافت می‌کند.

روش کار آن این‌گونه است. برق شهر با جریان متناوب یک میدان مغناطیسی کم‌فرکانس تولید می‌کند، در آمریکا ۶۰ هرتز، زیرا جریان در هر ثانیه ۶۰ بار جهت خود را تغییر می‌دهد. یک القاگر بسیار کوچک گرافنی این میدان را دریافت می‌کند و یک سیگنال الکتریکی متناوب می‌سازد. سپس یک مدار سفارشی این سیگنال را به جریان مستقیم یکسو می‌کند و آن را به خازن‌هایی می‌فرستد که بار الکتریکی را ذخیره می‌کنند. برخلاف باتری‌ها، این خازن‌ها انرژی را نه به شکل شیمیایی، بلکه در یک میدان الکتریکی نگه می‌دارند؛ بنابراین می‌توانند بارها و بارها از میدان‌های محیطی بسیار ضعیف نزدیک سیم‌کشی شارژ شوند.

از آنجا که الکترونیک حسگر انرژی را کندتر از سرعتی مصرف می‌کند که القاگر می‌تواند خازن‌ها را دوباره پر کند، سامانه قادر است یک ذخیره انرژی پایدار حفظ کند. پل تیبادو، استاد فیزیک دانشگاه آرکانزاس و یکی از سرپرستان این پروژه، برآورد می‌کند بار ذخیره‌شده می‌تواند هنگام قطع برق دست‌کم یک روز حسگر را روشن نگه دارد و در برخی سناریوها این زمان ممکن است به حدود یک هفته برسد. حاشیه انرژی بسیار کوچک است، بله. اما همین مقدار کافی است تا این فناوری از نمونه‌های اولیه شکننده به سمت دستگاه‌های مقاوم و قابل اتکا حرکت کند.

این نخستین تجربه این گروه با گرافن و حسگرهای خودمختار نیست. پژوهش‌های پیشین نشان داده بود که سلول‌های خورشیدی مبتنی بر گرافن نیز می‌توانند پایشگرهای دمایی فوق‌کم‌مصرف را به کار بیندازند. گرافن، شبکه‌ای از کربن با ضخامت فقط یک اتم، ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی استثنایی دارد که آن را برای برداشت انرژی محیطی ضعیف بسیار مناسب می‌کند؛ چه این انرژی از نور باشد، چه حرکت، گرما یا میدان‌های الکترومغناطیسی پیرامونی.

پژوهشگران حسگرهایی را تصور می‌کنند که چند نوع از این برداشت‌کننده‌های انرژی را با هم ترکیب می‌کنند. حسگری که در روز زیر نور خورشید کار می‌کند، می‌تواند شب‌ها به انرژی حاصل از سیم‌کشی تکیه کند. دستگاهی که در محیطی پرتحرک نصب شده است، وقتی نور خورشید کم باشد می‌تواند از انرژی جنبشی بهره بگیرد. ایده اصلی، افزونگی و پشتیبان‌داشتن است: اگر یک منبع انرژی ضعیف شود، منبعی دیگر دستگاه را زنده نگه می‌دارد. وقتی چند برداشت‌کننده انرژی با الکترونیک فوق‌کم‌مصرف ترکیب شوند، حسگرهایی به دست می‌آیند که می‌توانند سال‌ها بی‌سروصدا داده جمع‌آوری کنند.

حسگر دما نخستین کاربرد آزمایشی این فناوری است، اما پیامدهای آن بسیار گسترده‌تر است. به کاوشگرهای کشاورزی در مزارع دورافتاده، گره‌های پایش محیط زیست در جنگل‌ها و تالاب‌ها، ردیاب‌های پزشکی بدون نیاز به تعویض دوره‌ای باتری، یا برچسب‌های لجستیکی فکر کنید که شرایط را در مسیرهای طولانی حمل‌ونقل پایش می‌کنند. در هر یک از این موارد، هزینه نیروی انسانی و پسماند ناشی از تعویض باتری به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد و سامانه‌ها می‌توانند در مکان‌هایی نصب شوند که نگهداری از آن‌ها پرهزینه یا غیرعملی است.

این مطالعه که در نشریه علوم و فناوری خلأ B منتشر شده، ام‌دی رضائول کبیر، دانشجوی دکتری دانشگاه آرکانزاس، را به عنوان نویسنده نخست معرفی می‌کند. این پروژه شامل همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه میشیگان نیز هست، از جمله دیوید بلاو، استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر، که تخصص او در حسگرهای بی‌سیم کم‌مصرف به شکل‌گیری الکترونیکی کمک کرد که با چنین بودجه انرژی بسیار ناچیزی کار می‌کند.

در بخش تجاری‌سازی، شرکت ان‌تی‌اس اینوویشنز مجوز انحصاری فناوری برداشت انرژی گرافنی را در اختیار دارد و روند ثبت اختراع و توسعه کسب‌وکار را پیش برده است. تاکنون بیش از ۶۰ طرف علاقه‌مند تمایل خود را برای آزمایش این سامانه اعلام کرده‌اند؛ موضوعی که به تیم پژوهشی کمک می‌کند حداقل نیازهای توان و کاربردهای واقعی فناوری را دقیق‌تر تنظیم کند.

شاید آسان باشد که این دستاورد را یک پیشرفت تدریجی بنامیم. اما وقتی دستگاه‌ها دیگر به تعویض دوره‌ای باتری نیاز نداشته باشند، راهبردهای استقرار آن‌ها تغییر می‌کند. برنامه‌های نگهداری کوچک‌تر می‌شود. شکاف‌های داده‌ای بسته می‌شود. وعده این فناوری وسوسه‌انگیز است: مجموعه‌ای پراکنده از حسگرها که بی‌سروصدا به محیط خود گوش می‌دهند و سال‌ها بی‌دردسر گزارش می‌فرستند. چه کسی دوست ندارد بداند جهان چه احساسی دارد، وقتی حسگرها دیگر درخواست باتری نمی‌کنند؟