Životodárná energie - jak se bude získávat v budoucnosti?

Jedním z problémů současné elektroniky je přísun energie. Nejde přitom zdaleka jen o cenu a efektivitu napájení žravých datových center nebo o delší výdrž tabletu.

Životodárná energie - jak se bude získávat v budoucnosti?


Zařízení se stávají mobilními i autonomními, fungují často bez lidské asistence. Energie zde není mnohdy otázkou ceny nebo pohodlí, ale spíše limitem pro samotnou použitelnost. Jak elektroniku nové generace za těchto podmínek napájet? Přístupů existuje celá řada, přísun energie pro senzor, pohyblivého robota, kosmickou sondu nebo elektromobil lze ostatně asi těžko zajistit nějakou univerzální technologií…

Elektřina vysílaná na dálku

Americký spisovatel sci-fi Robert A. Heinlein popsal v románu Waldo svět blízké budoucnosti, kde je elektrická energie šířena bezdrátově podobně jako dnes data. Automobily se nabíjejí zcela automaticky, kdykoliv to samy potřebují – zapnutím „antény“. Futuristé předpokládají, že dříve či později budou značnou část energie vyrábět solární elektrárny na oběžné dráze a na Zem ji posílat v podobě laserových paprsků. Současná praxe je ovšem jiná, bezdrátové napájení přístrojů elektromagnetickou indukcí není efektivní ani na malé vzdálenosti. Nejde jen o cenu – energie, která se kvůli rozptylu nespotřebuje na napájení, se nikam neztratí a může snadno způsobit třeba požár.

Výzkumníci z Duke University a laboratoří firmy Mitsubishi přišli nyní s myšlenkou, jak pro bezdrátové napájení použít metamateriály. Jedná se o třídu uměle připravených látek s unikátními fyzikálními vlastnostmi – mají například záporný index lomu. Hůl z metamateriálu ponořená do vody vypadá, jako by vyčnívala z vody ven (tj. „lomí“ se úplně naopak, než jsme zvyklí). Pro tento způsob ohýbání paprsků se jako hlavní aplikace metamateriálů zkoumá neviditelnost. Předmět z metamateriálu z pohledu pozorovatele nijak nezakrývá pozadí; nejde přitom nutně jen o efekt ve viditelném světle, ale třeba i o zaslepení radaru nebo infračerveného detektoru. Dovnitř stáčené světelné paprsky lze použít nejen k maskování, ale i pro efektivní napájení. Pokud se mezi zdroj a nabíjený přístroj vloží metamateriál, nedojde k rozptylu energie a ztrátě účinnosti nabíjení. Metamateriál působí de facto tak, jako kdyby mezi nabíječkou a přístrojem žádný prostor vůbec neexistoval.

Vědci si představují, že metamateriál používaný pro bezdrátové napájení by měl podobu stovky tisíc tenkých vodivých smyček uspořádaných v řadě, které by „napravovaly“ rozptyl světla; mohlo by jít třeba o speciální geometrické struktury z mědi a stříbra, konkrétní provedení se nezdá být nejpodstatnější. Na rozdíl od běžné elektrorozvodné sítě by ale tento přenos mohl být aktivován na požádání. Automobil by z vedení metamateriálů kolem dálnice dokázal získat energii od nejbližší elektrárny. Možná by na podobných principech mohla fungovat i osobní letadla, respektive zařízení/křídla umístěná v šatech – bylo by možné obejít se bez těžkého motoru.

 

Jak využít malé vibrace?

Technologií, které počítají s napájením elektroniky např. pomocí energie lidské chůze, existuje celá řada. Co si ale počít tam, kde je třeba využít mnohem menší mechanickou energii? Následující projekt se zaměřuje především na bezdrátové senzory, které mohou monitorovat stav ropovodů, sledovat požáry v lese, teploty, znečištění ovzduší nebo vibrace domů či mostů. Tato čidla by bylo ideální rozmísťovat poměrně hustě. Je potřeba, aby spolu komunikovala. Pokud bychom se museli starat o jejich napájení a neustále roznášet a měnit baterie, znamenalo by to práci/náklady mnohonásobně převyšující cenu samotných senzorů.

Vědci z MIT v časopisu Applied Physics Letters publikovali výsledky výzkumu, podle něhož systémy založené na mikroelektronických součástkách (MEMs) dokážou oproti klasickým piezoelektrickým využít i malé „přírodní“ přísuny energie. Hlavní problém je, že převod vibrací na elektrický proud probíhá obvykle s přijatelnou účinností jen u velmi malého rozsahu frekvencí. Jinak dochází k interferenci a většina energie se ztrácí v šumu. Samozřejmě že součástku lze oblepit tisíci (či miliony) mikrosenzorů, ať už vedle sebe nebo ve vrstvách nad sebou, z nichž každý dobře pracuje při jiné frekvenci, ale to už je technicky náročné a drahé. Kim Sang-GookArman Hajati z MIT se proto pokusili o rozšíření použitelného frekvenčního rozsahu senzoru. Má fungovat tak, že půjde o cosi jako „most“, jehož jednotlivé části začnou vibrovat účinkem různých frekvencí.

Jediná vrstva dokáže pak dodávat výkon až 45 mikrowattů. Mělo by stačit zvýšit tento výkon asi na dvojnásobek, což už by umožňovalo napájet řadu dnes používaných senzorů.

 

Elektrosmog může být užitečný

Elektromagnetické záření nás obklopuje na každém kroku, ať už jde o sítě mobilních telefonů, Wi-Fi, GPS nebo televizní vysílání. Bojíme se možných negativních účinků elektrického zamoření na naše zdraví. Nedala by se jeho energie ale naopak ještě nějak smysluplně využít? Podobně jako v předešlém případě je problémem, že tento „smog“ má obrovský frekvenční rozsah.

Manos TentzerisGeorgia Tech University však tvrdí, že dokáže navrhnout antény o velmi širokém rozsahu použitelného pásma, od 100 MHz do 15 GHz. Zachycovaná energie (výkon v řádu miliwattů) by měla být dostatečná pro napájení nenáročných přístrojů, jako jsou třeba RFID čipy nebo i některá další bezdrátová elektronika, senzory monitorující průmyslové procesy, ale i třeba náš zdravotní stav.

Výhodou by bylo, kdyby systém dokázal navíc energii i uchovávat a šetřit ji v době, kdy by zařízení bylo vypnuté. Tentzeris proto doplnil anténu o kondenzátor a baterii. Tím by (nikoliv nepřetržitý) výkon mohl výrazně vzrůst, až na úroveň kolem 50 miliwattů. Antény se podle Tentzerise navíc dají jednoduše tisknout na papírový nebo plastový podklad na obyčejné inkoustové tiskárně. Přesné složení inkoustové emulze výzkumníci tají, ví se však, že je v ní rozptýlené stříbro v podobě nanočástic.

Demonstrační ukázka funguje jako čidlo měřící teplotu, které se napájí z energie televizního vysílače vzdáleného více než kilometr. Velká koncentrace elektromagnetického záření je na letištích (radary, komunikace apod.). Zde by na této bázi mohly být založeny levné senzory související s bezpečností provozu (např. detekce výbušnin).

 

Úsporné diamanty

Vědci z univerzity ve Vanderbiltu přišli s konceptem, podle něhož by křemík v elektronických součástkách mohl být nahrazen diamantem. Prototypy tranzistorů a logických hradel z diamantů spotřebovávají oproti křemíkovým až desetkrát méně energie. Diamantový film nanesený na substrát funguje na podobném principu jako elektronka – elektrony se zde pohybují vakuem. To znamená komplikaci pro výrobní postup, elektrony ale přitom nenarážejí do atomů pevného (polo)vodiče, takže při provozu nevzniká prakticky žádné odpadní teplo. Příčinou energetické nenáročnosti těchto systémů je kromě efektivity vedení proudu i to, že diamant je výborným emitorem elektronů, takže je snadné vytvořit i jejich silné paprsky.

Výhodou diamantové elektroniky má být i její schopnost pracovat za velmi vysokých i nízkých teplot a vydržet tvrdé záření. Senzory na tomto principu by se proto mohly uplatnit v kosmických sondách, jaderných reaktorech a jiných extrémních podmínkách. Cena by neměla představovat problém, postačují totiž diamanty běžné průmyslové produkce a navíc jich je pro film třeba jen malé množství.

 

Úspora při programování

„Zelené“ programování neznamená vývojáře v maskách, které lapají zločinný vydechovaný oxid uhličitý. Cílem konceptu EnterJ (J znamená jak joule, tak i jazyk Java, na němž je projekt postaven) je klást už při tvorbě kódu důraz na energetickou efektivitu aplikace, ať už poběží na mobilním zařízení nebo v datovém centru.

Projekt probíhá na University of Washington. Zahrnuje určité „rozvolnění“ různých kontrolních součtů nebo nižší napětí na některých tranzistorech (což znamená mírně vyšší pravděpodobnost náhodných chyb). U aplikací typu streaming médií nebo her lze podle výzkumníků jistou chybovost ale připustit. Tato tolerance přirozeně není možná vždy – například při šifrování nebo u bankovní aplikace. Nadstavba systému by měla nejprve rozlišit, zda určitá aplikace nebo její část patří do těch, kde je vyžadována absolutní přesnost, nebo zda je vzhledem k energetické efektivitě možné z tohoto požadavku slevit. Jádrem vyvíjeného frameworku má pak být neprostupná bariéra mezi těmito dvěma oblastmi, cosi na způsob oddělených sandboxů.

Energetickou efektivitu má jako svůj alespoň částečný cíl i řada dalších výzkumů. V laboratořích vynikají účinnější baterie nebo kabely z nanotrubiček, objevují se materiály spojující magnetismus se supravodivostí, nové procesory Intelu budou napájeny solárními buňkami. Šíře nových technologií dává naději, že řada z nich najde uplatnění i v praxi.


Úvodní foto: © Mikhail Mishchenko - Fotolia.com

Vyšlo v CIO Business World 12/2011
Časopis lze koupit se slevou 20 %





Komentáře