گامی به سوی حسگرهای خودتأمین انرژی با استفاده از مواد نانوساختار
تهران- ایرنا- پژوهشگران دانشگاه آرکانزاس و دانشگاه میشیگان موفق به توسعه سامانه‌ای مبتنی بر گرافن شده‌اند که می‌تواند انرژی میدان مغناطیسی اطراف کابل‌های برق را برداشت کند و برای راه‌اندازی یک حسگر کم‌مصرف دما به کار بگیرد.
به گزارش روز سه‌شنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این فناوری با حذف نیاز به باتری و تراشه متداول مدیریت توان، گامی در جهت ساخت حسگرهای خودتأمین انرژی برداشته است؛ تجهیزاتی که می‌توانند برای مدت طولانی بدون نیاز به تعویض باتری فعالیت کنند
بسیاری از حسگرهای مورد استفاده در صنعت، کشاورزی، پایش محیط‌زیست و مدیریت تجهیزات، برای اندازه‌گیری و ارسال داده به منبع انرژی نیاز دارند. در مواردی که تعداد حسگرها زیاد است یا در مکان‌هایی مانند زمین‌های کشاورزی، مسیرهای حمل‌ونقل و تأسیسات صنعتی نصب می‌شوند، تعویض دوره‌ای باتری می‌تواند هزینه‌بر و دشوار باشد. ازاین‌رو، توسعه تجهیزاتی که بتوانند انرژی موردنیاز خود را از محیط اطراف تأمین کنند، یکی از مسیرهای مورد توجه در ساخت نسل جدید حسگرهای هوشمند است.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه آرکانزاس و دانشگاه میشیگان سامانه‌ای مبتنی بر گرافن طراحی کرده‌اند که انرژی میدان مغناطیسی ایجادشده در اطراف کابل‌های برق را دریافت و به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌کند. این انرژی برای راه‌اندازی یک حسگر دمای کم‌مصرف به کار گرفته شده است؛ حسگری که در طراحی آن، باتری قابل شارژ و تراشه متداول مدیریت توان حذف شده‌اند.
بخش اصلی این سامانه، القاگرهای گرافنی هستند. القاگر یا سلف، قطعه‌ای الکتریکی است که در برابر تغییرات جریان و میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهد و می‌تواند در اثر قرارگرفتن در میدان مغناطیسی متغیر، ولتاژ الکتریکی در آن القا شود. پژوهشگران برای بررسی عملکرد این فناوری، دو نوع القاگر گرافنی طراحی و ساخته‌اند: نمونه‌ای تخت با ساختار مارپیچی و نمونه‌ای سه‌بعدی به شکل فنر یا مارپیچ فضایی.
این قطعات در مجاورت یک کابل برق قرار گرفتند تا میزان ولتاژ و جریان الکتریکی القاشده در آن‌ها اندازه‌گیری شود. نتایج نشان داد که یک القاگر گرافنی مجهز به هسته داخلی فولادی می‌تواند ولتاژ کافی برای راه‌اندازی یک مدار تقویت‌کننده ولتاژ را تولید کند. استفاده از هسته فولادی به بهبود عملکرد القاگر در برداشت انرژی از میدان مغناطیسی کمک می‌کند.
برای تبدیل سیگنال الکتریکی برداشت‌شده به ولتاژ مناسب، پژوهشگران از مداری به نام «مدار کاک‌کرافت–والتون» (Cockcroft–Walton) استفاده کردند. این مدار ابتدا سیگنال متناوب دریافتی را یکسوسازی می‌کند و سپس با استفاده از مجموعه‌ای از اجزای الکتریکی، سطح ولتاژ را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، انرژی برداشت‌شده از میدان مغناطیسی کابل برق به شکلی آماده می‌شود که بتوان از آن برای شارژ ذخیره‌سازهای الکتریکی استفاده کرد.
در این آزمایش، مدار توانست سه خازن ذخیره‌ساز را تا سطح ولتاژ موردنیاز برای راه‌اندازی حسگر دمایی شارژ کند. خازن‌ها انرژی الکتریکی را در میدان الکتریکی خود ذخیره می‌کنند و می‌توانند در زمان نیاز آن را در اختیار مدار قرار دهند. در سامانه طراحی‌شده، این خازن‌ها جایگزین باتری قابل شارژ شده‌اند و انرژی لازم برای فعالیت حسگر را تأمین می‌کنند.
حذف تراشه متداول مدیریت توان نیز از دیگر ویژگی‌های این طراحی است. چنین تراشه‌هایی در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی وظیفه تنظیم، کنترل و توزیع انرژی را بر عهده دارند، اما خودشان نیز بخشی از توان مصرفی سامانه را به خود اختصاص می‌دهند. پژوهشگران با طراحی مدار اختصاصی برداشت و ذخیره انرژی، توانسته‌اند مصرف انرژی حسگر را کاهش دهند و عمر عملیاتی پیش‌بینی‌شده آن را افزایش دهند.
این سامانه از میدان مغناطیسی با فرکانس ۶۰ هرتز، متناظر با فرکانس شبکه برق آمریکا، انرژی دریافت می‌کند. البته نرخ شارژ خازن‌ها از سرعت مصرف انرژی توسط حسگر کمتر است؛ به همین دلیل، در شرایط عادی ممکن است ذخیره انرژی با سرعتی کمتر از میزان مصرف آن دوباره پر شود. با وجود این محدودیت، پژوهشگران اعلام کرده‌اند که حسگر می‌تواند پس از قطع برق نیز دست‌کم ۲۴ ساعت و احتمالاً تا حدود یک هفته به فعالیت خود ادامه دهد.
این ویژگی می‌تواند برای کاربردهایی اهمیت داشته باشد که در آن‌ها قطع موقت برق نباید به توقف فوری پایش منجر شود. با این حال، پژوهشگران تأکید کرده‌اند که در آزمایش انجام‌شده، خازن‌ها در ابتدا به‌صورت یک‌باره شارژ شده‌اند و پردازنده حسگر نیز از پیش برنامه‌ریزی شده است. بنابراین، عملکرد کاملاً خودکار سامانه از لحظه شروع به کار، بدون دریافت شارژ اولیه، هنوز ارزیابی نشده است. این موضوع که در اصطلاح فنی «راه‌اندازی از حالت کاملاً خاموش» یا Cold Start نامیده می‌شود، یکی از مراحل مهم برای توسعه نسخه‌های مستقل و آماده استفاده از این فناوری خواهد بود.
این دستاورد، دومین نمونه از تلاش این گروه پژوهشی برای تأمین انرژی حسگرها با استفاده از منابع محیطی است. این گروه پیش‌تر سلول‌های خورشیدی مبتنی بر گرافن و سیلیکون را برای راه‌اندازی حسگرهای دما توسعه داده بود. هدف بلندمدت پژوهشگران، ساخت حسگرهای چندمنبعی و خودتأمین انرژی است؛ تجهیزاتی که بتوانند انرژی موردنیاز خود را از چند منبع طبیعی و محیطی، مانند نور خورشید، گرما، حرکت و تابش‌های موجود در محیط دریافت کنند.
چنین حسگرهایی می‌توانند در حوزه‌های متنوعی به کار گرفته شوند. رهگیری و پایش کالاها در زنجیره تأمین، بررسی شرایط جوی و وضعیت خاک، مدیریت ناوگان حمل‌ونقل و تجهیزات پوشیدنی از جمله کاربردهایی هستند که برای این فناوری مطرح شده‌اند. در بسیاری از این کاربردها، نصب تعداد زیادی حسگر در نقاط مختلف ضروری است و دسترسی مستمر به آن‌ها برای تعویض باتری یا تعمیر تجهیزات امکان‌پذیر نیست.
پژوهشگران امیدوارند با ترکیب روش‌های مختلف برداشت انرژی، نسل جدیدی از حسگرهای مستقل توسعه دهند که بتوانند برای سال‌ها و حتی چند دهه فعالیت کنند. تحقق چنین هدفی به افزایش بازده برداشت انرژی، کاهش مصرف توان قطعات الکترونیکی و اطمینان از پایداری عملکرد سامانه در شرایط محیطی مختلف وابسته است.
این پژوهش نشان می‌دهد که گرافن می‌تواند فراتر از کاربردهای شناخته‌شده خود در ساخت مواد پیشرفته، در توسعه سامانه‌های برداشت انرژی نیز نقش‌آفرینی کند. هرچند فناوری ارائه‌شده هنوز به مراحل تکمیلی توسعه و ارزیابی نیاز دارد، اما ترکیب القاگرهای گرافنی، مدارهای الکترونیکی کم‌مصرف و ذخیره‌سازهای انرژی می‌تواند مسیر تازه‌ای برای ساخت حسگرهایی بگشاید که برای فعالیت به باتری‌های متداول وابسته نیستند.
منبع: ایرنا