Energie zítřka ve znamení úspor a mobility

Vzrůstající ceny energie či snaha zavádět zelené technologie vedou k tomu, že otázky spotřeby a napájení nabývají na důležitosti. Nové energeticky úspornější procesory, konsolidace a virtualizace serverů v podnikovém sektoru – to vše je poháněno především cílem energetických úspor.

Energie zítřka ve znamení úspor a mobility


Vzrůstající ceny energie či snaha zavádět zelené technologie vedou k tomu, že otázky spotřeby a napájení nabývají na důležitosti. Nové energeticky úspornější procesory, konsolidace a virtualizace serverů v podnikovém sektoru – to vše je poháněno především cílem energetických úspor.

Ceny provozu datových center závisejí v případě velkých firem a poskytovatelů služeb čím dál tím více na nákladové položce odpovídající spotřebě elektřiny. Odhaduje se, že náklady na elektřinu během životnosti serveru mohou brzy převýšit i jeho pořizovací cenu.

Společnost IBM například nedávno oznámila, že konsolidací svého datového centra a přechodem na architekturu mainframů (datové centrum bude místo 3 900 serverů založeno jen na 30 mainframech) dokáže ušetřit až 80 % nákladů na energii. Konsolidace a technické řešení v datacentru společnosti Sun v Santa Claře zase snížilo podle oznámení firmy účet za energii o 60 %.

Druhým výrazným trendem ovlivňujícím energetické potřeby současného světa IT je mobilita. Mobilní zařízení se stávají stále více pracovním nástrojem a přímo se zapojují do provozu podnikových aplikací. Podnikoví uživatelé vyžadují u těchto zařízení vysoký výkon i bezproblémovou funkčnost. To s sebou samozřejmě nese celou řadu nových trendů – od bezpečnosti až právě po otázky napájení. Zde kromě energetické úspornosti zvyšující dobu provozu mobilních zařízení vstupují do hry i technologie umožňující napájení bez přímého přístupu k elektrorozvodné síti.

Firmy jako IBM, Sun či Google si jsou tohoto problému samozřejmě vědomy a jejich oznámení ve stále větší míře akcentují právě nutnost inovací snižujících energetickou náročnost. V našem časopise jsme na toto téma publikovali řadu materiálů (například Jak udržet náklady na elektřinu pod kontrolou, BW 3/2007). V tomto článku se však podíváme dále do budoucna, na projekty trochu futurističtější, které se dnes vesměs nacházejí ve stadiu výzkumu či prototypů. Lze předpokládat, že řada technologií dosud existujících jen v laboratořích se však brzy uplatní i v podnikovém IT. Pro ilustraci jen jedno číslo: Podle společnosti Deloitte se jen na vývoj suchých článkových baterií ročně vynakládá 31 miliard dolarů, dalších 6 miliard dolarů padne na vývoj znovunabíjecích baterií.

ROZDÍL TEPLOT, RADIOAKTIVITA…

Myšlenka použít k napájení elektroniky (především té nošené přímo na těle) pohybu lidského těla není úplně nová. Již v roce 2001 počítal s uplatněním těchto technologií projekt digitalizovaného vojáka Land Warrior, který tehdy představil Pentagon – u vojáků operujících v terénu se logicky předpokládala značná fyzická aktivita.

Existují však i jiné možnosti, počítající jako se zdrojem elektrické energie přímo s člověkem. Zajímavý je například přístup, který by k výrobě elektrické energie používal rozdílu mezi teplotou lidského těla a okolí. V německém Fraunhoferově institutu se vyvíjejí termoelektrické generátory, které zatím dokáží dodávat napětí asi 200 milivoltů – vedoucí projektu Fraunhferova ústavu Peter Spies již demonstroval funkční prototyp. Generované napětí prozatím postačuje spíše k provozu různých zařízení monitorujících zdravotní stav než mobilních počítačů. Teplotní gradient ovšem nemusí být založen pouze na lidském těle – rozdíly teplot zaznamenáváme také na površích osvětlených sluncem či u počítačových systémů. Schopnost termoelektrického článku je samozřejmě tím větší, čím vyšší je teplotní rozdíl, z toho se odvíjí i možnosti budoucího nasazení této technologie.

Rovněž originální myšlenkou je využít k napájení elektroniky energii radioaktivního rozpadu. Radioaktivní článek, který vzniká na Cornellově univerzitě za podpory americké vojenské agentury DARPA, využívá tzv. beta rozpad. Takto emitované částice mají poměrně malou energii a lze je dobře odstínit, proto se uvažuje, že by baterie tohoto typu mohly pohánět třeba kardiostimulátory; podle současných odhadů by vydržely řádově 20 let. Prvkem, který se rozpadá, je v navrženém řešení izotop vodíku tritium, přítomný ve formě supertěžké vody.

PALIVOVÉ ČLÁNKY

V „klasických“ palivových článcích, jejichž prototypy představily již před několika lety např. firmy Toshiba, Fujitsu, Hitachi, IBM, Sanyo či MTI Micro Fuel Cells, se jako zdroj energie nejčastěji využívá metanol. Firma Sony nedávno představila článek, který k dodávce elektrické energie využívá rozklad cukrů. Přitom vznikají vodíkové kationty a jejich tok je zdrojem elektrického proudu. Výkon tohoto biočlánku prozatím představuje 50 mW. Stejně jako v případě metanolových článků by zde hlavní výhodou mělo být snadné doplňování náplně po vybití článku.

Nasazení palivových článků do praxe však postupuje pomaleji, než se očekávalo před nějakými dvěma či třemi roky – japonská NTT DoCoMo tehdy uváděla, že již letos nabídne palivové články pro mobily na koncovém trhu. Vzpruhou pro toto odvětví mělo být na počátku letošního léta oznámení společnosti Medis Technologies, podle něhož si u ní Microsoft objednal hromadnou výrobu těchto zařízení pro svůj přehrávač Zune. Zajímavou vlastností článků Medisu mělo být kromě náplně (nikoliv metanol, ale blíže nespecifikovaný alkalický roztok) jejich zabudování prostřednictvím adaptéru – jeden článek by pak mohl být použit pro zařízení různého typu, což mělo vést ke standardizaci technologie a jejímu zlevnění. Microsoft však tvrzení společnosti Medis posléze dementoval.

TURBÍNKY

Jako zdroj energie pro přenosná elektronická zařízení by se mohly uplatnit i miniaturní plynové turbíny. Výzkumníkům z MIT se pod vedením profesora Alana Epsteina podařilo sestrojit z křemíkových plátků model miniaturního spalovacího motoru, který i se všemi součástmi (kompresor, spalovací komora, chladicí systém…) není větší než kovová mince a je také srovnatelně tenký.

Turbína pracuje podobně jako tryskový motor letadel; počet otáček za minutu se ovšem pohybuje v řádu milionů. Pohon turbíny představuje (podobně jako u palivového článku) organické palivo, turbína by ovšem pro dosažení stejného výkonu měla vystačit s menší spotřebou – získat energii prostřednictvím přímého spalování má být totiž podle odborníků z MIT oproti chemické reakci probíhající v článcích účinnější.

Odhadovaný výkon jedné „mince“ se pohybuje kolem 10 wattů. Použití turbín naráží ovšem třeba na překážku v podobě nutnosti vyfukovat za běhu úzký proud horkých spalin – technologie se prozatím nehodí pro elektroniku zabudovanou do oblečení a možná ani pro mobil v kapse. U notebooků by ovšem k žádným závažnějším problémům docházet nemělo.

SOLÁRNÍ NAPÁJENÍ

Napájení prostřednictvím sluneční energie by snad brzy mohlo být dostupné i pro klasické počítače. Společnost Motorola si nedávno patentovala technologii, která umožní dobíjení mobilních telefonů a displejů LCD.

VE ZNAMENÍ INDUKCE

Následující technologie je motivována ne přímo úsporou elektrické energie, ale způsobem napájení mobilních zařízení. Použití elektrické indukce by mohlo odstranit nutnost zapojovat přenosná zařízení přímo do sítě. Uplatnění by ale našla i u stolních PC, které by se napříště mohly obejít bez hromady kabelů.

Poměrně široce medializovanou technologii zvanou Witricity představil na počátku letošního léta tým vědců z Massachusettského technologického institutu. Zařízení je složené ze dvou cívek, hrajících roli antén. Jedna je připojena do elektrorozvodné sítě, druhá vyzařuje elektromagnetické vlny. Dosah této technologie prozatím činí asi 5 metrů. Tímto způsobem lze napájet najednou větší počet zařízení v dosahu antény, přičemž vysílací anténa by měla být schopna zpětně zachytit většinu energie, která nebude spotřebována. Technologie by měla fungovat i přes pevné překážky.

Již v roce 2002 představily firmy SplashPower a MobileWise pro napájení bezdrátových zařízení speciální podložky zapojené do zásuvky, na kterou by stačilo zařízení pouze položit. Odpadla by potřeba adaptérů, kabelů či konektorů, podobně jako u technologie z MIT by se vedle sebe mohlo nabíjet i více zařízení najednou. V praxi se však produkty obou firem prozatím neujaly.

Indukce se uplatňuje i v mírně kuriózním projektu, který má v Austrálii nahradit elektrické ohradníky pro dobytek. Krávy by byly podle tohoto konceptu vybaveny systémem, který by neustále monitoroval jejich polohu pomocí komunikace s GPS. Andrew Fisher z CSIRO Food Futures Flagship, jenž byl vedoucím tohoto projektu, popisuje zařízení jako virtuální ohradník. Pokud se zvíře vzdaluje z vymezeného místa, zařízení mu podobně jako klasický plot dává najevo nelibost mírnými elektrickými ranami, jejichž intenzita s dalším vzdalováním roste. K napájení těchto zařízení pomocí indukce by stačil jediný generátor tam, kde se zvířata shromažďují, třeba u napajedel. Na otevřených osvětlených pastvinách se jako zdroj energie logicky nabízejí i solární články.

ÚČINNĚJŠÍ CHLAZENÍ

S potřebou úspor elektrické energie úzce souvisí problematika chlazení počítačů příští generace. Chlazení je jednou z prvních oblastí, kde se v IT přímo uplatnily výdobytky nanotechnologického průmyslu, konkrétně populární uhlíkové nanotrubičky založené na fullerenech (třetí modifikace uhlíku po grafitu a diamantu).

Už v roce 2005 začala na hing-end počítačích chlazených touto technologií pracovat firma Fujitsu, ještě o rok dříve testoval chlazení procesorů uhlíkovými nanotrubičkami Intel ve spolupráci s firmou Zyvex. Blízko uvedení na trh má být údajně chladicí systém HydroJet od společnosti OCZ.

Jiný typ uhlíkové elektroniky by mohl potřebu chlazení snížit ještě ve větší míře. Vědci z univerzity v britském Manchesteru pod vedení Andre Geima zkonstruovali tranzistor, jehož základem je „páska“ grafenu (grafen je ultratenká vrstva obyčejného grafitu) široká 10 nm a o tloušťce pouhých 0,1 nm. Grafen by měl oproti křemíku umožnit vyšší miniaturizaci a díky své dobré vodivosti také snížit množství uvolňovaného tepla.

Ve výzkumných laboratořích Hewlett-Packard se zase zaměřili na monitoring, který by měl umožnit chlazení v míře, jak je právě třeba. Racky serverů datového centra by byly vybaveny senzory a podle vytíženosti serverů/teploty by se regulovala i účinnost chlazení.

IBM zase zkoumá možnost přivést chladicí médium přímo na procesor. Pokud je pomocí technologie zvané Direct Jet Impingemenet voda přiváděna k čipu prostřednictvím rozstřikovacích trysek, má být účinnost i energetická náročnost chlazení mnohem lepší než při chlazení vzduchem.

Společnost Trox zase navrhuje chlazení datových center prostřednictvím kapalného oxidu uhličitého, který by byl pod tlakem hnán systémem trubek. Účinnost této technologie by měla být opět lepší než současné systémy chlazení vzduchem či vodou a oxid uhličitý by v případě úniku na rozdíl od vody neměl poškodit elektrické rozvody.








Komentáře