Ученые используют магнитное поле для питания интеллектуальных сенсорных сетей

Электричество, которое освещает наши дома и приводит в действие наши приборы, также создает небольшие магнитные поля, которые присутствуют вокруг нас. Ученые разработали новый механизм, способный собирать эту потерянную энергию магнитного поля и преобразовывать ее в достаточное количество электроэнергии для питания сенсорных сетей следующего поколения для интеллектуальных систем управления производством.

“Точно так же, как солнечный свет является свободным источником энергии, которую мы пытаемся собирать, так и магнитные поля”, – сказал Шашанк Прия, профессор материаловедения и инженерии и заместитель вице-президента по исследованиям в штате Пенсильвания. – “Эта вездесущая энергия присутствует в наших домах, офисах, на рабочих местах и ​​в автомобилях. Она повсюду, и у нас есть возможность собрать этот магнитный шум и преобразовать его в полезное электричество”.

Команда, возглавляемая учеными из штата Пенсильвания, разработала устройство, которое обеспечивает выходную мощность на 400 процентов выше по сравнению с другими современными технологиями при работе с магнитными полями низкого уровня, например, теми, которые есть в наших домах и зданиях.

По словам ученых, эта технология имеет значение для проектирования интеллектуальных строений, для которых потребуются беспроводные сенсорные сети с автономным питанием для таких задач, как мониторинг энергопотребления и режимов работы, а также системы дистанционного управления.

“В зданиях, как известно, если вы автоматизируете множество функций, вы действительно сможете значительно повысить энергоэффективность”, – сказал Прия. – “Здания являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии в Соединенных Штатах. Таким образом, даже снижение энергопотребления на несколько процентов может представлять мегаватты экономии. Датчики – это то, что позволит автоматизировать эти элементы управления, и эта технология является реалистичным способом питания этих датчиков”.

Исследователи разработали тонкие бумажные устройства длиной около 1,5 дюйма, которые можно размещать на приборах или рядом с ними, в источниках света или на шнурах питания, где магнитные поля наиболее сильны. По словам ученых, эти поля быстро рассеиваются вдали от источника электрического тока.

Когда устройство расположено в 4 дюймах от обогревателя, оно вырабатывает достаточно электроэнергии для питания 180 светодиодных матриц, а в 8 дюймах – для питания цифрового будильника. Ученые сообщили о результатах в журнале Energy and Environmental Science.

“Эти результаты обеспечивают значительное продвижение к устойчивому питанию для интегрированных датчиков и систем беспроводной связи”, – сказал Мин Гю Кан, доцент исследования в штате Пенсильвания и соавтор исследования.

Ученые использовали сложную структуру, соединяя два разных материала вместе. Один из этих материалов является магнитострикционным, который преобразует магнитное поле в напряжение, а другой – пьезоэлектрическим, который преобразует напряжение или вибрации в электрическое поле. Комбинация позволяет устройству превращать магнитное поле в электрический ток.

Устройство имеет структуру в виде балки с одним зажатым концом, а другой свободно вибрирует в ответ на магнитное поле. Ученые утверждают, что магнит, установленный на свободном конце балки, усиливает движение и способствует повышению выработки электроэнергии.

“Прелесть этого исследования в том, что он использует известные материалы, но разрабатывает архитектуру, которая в основном повышает преобразование магнитного поля в электричество” , – сказал Прия. “Это позволяет достичь высокой плотности мощности в магнитных полях с малой амплитудой”.

Некоторые из членов команды в этом исследовании финансировались через Управление военно-морских исследований, а другие – через Национальный научный фонд.