Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Hvorfor få strøm fra batterier eller elnettet, når energien kan hentes lige ud af luften og på stedet levere kraft nok til at holde for eksempel sensorer og wearables kørende?
Det er egentlig ikke en ny tanke. Ur og lommeregnere med solceller er et godt eksempel på en tidlig udnyttelse af omgivelsernes energi. Men nu går man nye veje – blandt andet drevet frem af et ønske om nemt at kunne strømføde de små dimser og sensorer, som i fremtiden vil skabe det, som går under betegnelsen ”Internet of Things”.
Mekanisk eller piezoelektrisk energi er blandt de kilder, som forskere interesserer sig for i disse år. Fysiske påvirkninger af blandt andet forskellige krystalmaterialer kan frembringe elektrisk strøm. Desuden er der fokus på såkaldt termo-energi, hvor varme og temperaturændringer på forskellig måde kan frembringe strøm.
Blandt de helt oplagte gevinster ved at hente energi fra omgivelserne er uafhængigheden af netop batterier eller lysnet. For eksempel kan de enheder, der strømforsynes alternativt, placeres utallige mulige og umulige steder, når der ikke skal tages hensyn til særlig vedligeholdelse, batteriskift, skift af sikringer osv., og de vil kunne fungere driftssikkert i stort set hele deres levetid. Desuden er energiformen yderst klimavenlig.
På minussiden tæller, at endnu kun solceller producerer strøm nok til en hel husholdning. De to øvrige kilder kan kun producere energi i mikrowatt eller måske milliwatt af elektrisk energi, når det går højt. Men over en periode vil det alligevel kunne give strøm nok til, at en serie sensorer, der er forbundet til nettet, vil kunne levere og transmittere trådløse måleoutputs til en fjern modtager. Formålet med energiopsamling fra disse let tilgængelige kilder i omgivelserne er jo ikke at producere stærkstrøm, men blot at indsamle små mængder af energi, der kan drive mikroelektronik, og som ellers ville gå til spilde.
Bevægelse giver energi
Den piezoeletriske energiopsamling sker, når visse keramiske eller polymere materialer bliver udsat for tryk og andre påvirkninger fra eksempelvis lyd eller lavfrekvente vibrationer fra en bilmotor, for så ”svarer de igen” ved at producere en elektrisk spænding. Processen kan også vendes om, sådan at en elektrisk spænding udefra kan deformere materialet, hvilket udnyttes i smartphone-højttalere og i blækprintere. Keramiske materialer er effektive, men relativt tunge og skrøbelige til denne type piezoelektrisk strømproduktion. Polymere er lette, fleksible og holdbare, men ikke til gengæld særligt effektive.
Den termoelektriske metode benytter ikke vibationer, men varme. Hvis et elektrisk ledende materiale, som samtidig er en dårlig varmeleder, udsættes for forskellige temperaturer på hver side, opstår en spændingsforskel mellem de to sider. Hvis temperaturforskellen er konstant, er spændingen det også. Egnede materialer er imidlertid ofte komposit-materialer, der både er sjældne og kostbare. Processen forudsætter også relativt store temperaturforskelle, og hvis spildvarmen blot er 40-50 grader varmere end omgivelserne, hvilket ofte er tilfældet, vil effektiviteten være under én procent. Nytteeffekten af sådanne termoelektriske moduler (TEM’er), der sidder forbundet i serier omkring en varmekilde og tilsammen udgør en termogenerator (en TEG), har derfor været begrænset. Men med nanoteknologiens udvikling og mulighed for nye, nanobaserede materialer er denne form for energi også blevet interessant i større målestok.
Forsøg har blandt andet vist, at hvis lastbiler forsynes med termoelektriske moduler på udstødningsrøret, vil det kunne reducere udgifterne til benzin og andet brændstof betragteligt. VW-fabrikkerne har opnået at få produceret hele 600-1000 W i alt på en kørestrækning, hvilket kan spare cirka 5-8 procent af udgifterne til brændstof.
Pyroelektrisk energiopsamling
En variant af den termoelektriske energiopsamling er pyroelektrisk energiopsamling, hvor der frembringes strøm ud fra temperatursvingninger. Men pyroelektrisk energiopsamling forudsætter betingelser, der næsten aldrig forekommer uden for laboratorier og er derfor stadig et stykke fra kommerciel anvendelse. Hvis effektivitet måles efter, hvor meget energi, der kan produceres under realistiske betingelser, udviser termoelektrisk energi altså et vist potentiale, mens pyroelektrisk energiopsamling indtil videre er relativ in-effektivt.
Både piezoelektrisk, termoelektrisk og pyroelektrisk energiopsamling er imidlertid under stadig udvikling. Forskellige laboratorier melder om fremskridt, men det er svært at sammenligne disse resultater objektivt. Faktisk er sammenlignelige måleresultater udråbt af Europa-Kommissionen til at repræsentere en af de større udfordringer og opfordrer til en fælleseuropæisk indsats inden for disse former for energiopsamling for at forsøge at finde frem til objektiv måling af teknologiernes effektivitet efter en internationalt anerkendt standard. Den skal omfatte både størrelse, produktionsdygtighed og omkostninger. Så alvorlig tages dette energifelt af myndighederne.
Trods manglende standarder udvikles der allerede nu masser af mere eller mindre færdige produkter baseret på disse alternative energiformer, men også på andre, for eksempel æterens mikrobølger. Her kigger vi på nogle af de mest lovende.
Sådan kan omgivelserne give energi:
Bilens dæk høster strøm under kørslen
Dækfabrikken Goodyear har konstrueret et bildæk, der kan omsætte både varme og bevægelsesenergi til brugbar strøm. Prototypen anvender et dybtsort materiale, der absorberer lys og varme både under kørsel og ved parkering i sollys. Varmen opsamles af et net af termoelektrisk materiale, der forvandler energien til elektrisk strøm. Samtidig høster piezoelektriske komponenter energi fra dækkets skiftende deformation under kørslen.
Nettet forstærker desuden dækket og giver det mindre rullemodstand, og hvis det punkterer, kan bilen fortsætte endnu 80 km med 80 km/t. Varmeudviklingen nødvendiggør dog også et kølesystem, der er indbygget i sidevæggene.
Kondituren leverer strøm
Små piezoelektriske generatorer kan gemmes i sål og hæl på en løbesko, hvor ejerens stadige skridt ifølge producenten af denne sko, Instep, vil kunne producere strøm nok til at drive wearables helt op til størrelse smartphone.
Generatorerne udnytter en billig polymer-transducer frem for en traditionel keramisk, der vil være for hård. Polymer-transduceren kan indbygges i skoens sål og føles som enhver anden stødabsorberende sål. En spændingsregulator omsætter de piezoelektriske udladninger til jævn, brugbar spænding på to milliwatt pr. sko.
Antenner opfanger luftens energi
Georgia Institute of Technology har udviklet bredbåndsantenner, der kan printes på papir og som kan høste energi fra de efterhånden allesteds nærværende mikrobølger i omgivelserne – fra radioer, mobiler og mikroovne – i området fra 100 Mhz til 15 GHz eller mere. Antennerne kan eventuelt lagre energien i kondensatorer eller små batterier. Indtil videre er det lykkedes at hente hundreder af milliwatt alene fra den energi, som tv-båndene udsender, og der er blevet indfanget energi nok fra en tv-station en halv kilometer væk til at drive en lille sensor.
Energi fra satellitter
Ingeniører fra Duke University har skabt et aggregat, der kan indfange mikrobølger fra eksempelvis satellitter, radioer og Wi-Fi-signaler og omsætte energien til elektricitet. Aggregatet består af en form for sandwich af fem fiberglasplader med kobberledere imellem. Denne konstruktion kan angiveligt udvinde op til 7,3 V elektrisk spænding, hvor USB-stik eksempelvis kun leverer 5 V. Effektiviteten ligger på små 40 procent på linje med solceller. Men antallet af sandwichlag vil kunne øge denne effekt. Aggregatet skal også kunne trimmes til at høste energi fra vibrationer og lydbølger. Perspektiverne er at kunne hente energi ud af hjemmeapparater og måske forsyne en mobiltelefon med strøm opsamlet fra mobilmastens mikrostråler.
Legering skaber strøm af varme
En ny termoelektrisk metallegering kan omsætte varme direkte til elektrisk energi uden brug af termo-generatorer. Legeringen kaldes ganske enkelt Ni45Co5Mn40Sn10 og er en slags jernmetal bestående af mange jerntyper, der er sat sammen på nanoniveau. Sådanne legeringer er kendt for unikke elastiske, magnetiske og elektriske egenskaber. Og selv om den nye legering ellers ikke er magnetisk, bliver den det pludselig ved at blive udsat for varme. Og materialet kan derpå direkte udnytte denne varme igen ved at inducere elektrisk strøm i en omkringviklet ledning.
Kunstige træer tapper energi ud af vinden
Det finske forskningscenter VTT Technical Centre har udviklet et udendørs træ, der kan opsamle energi fra både lys, temperatur-ændringer og vibrationer fra vind og blæst. Man har simpelthen sat de kunstige blade fast på en stamme af 3D-printet træbaseret biomateriale. Indtil videre er det energiopsamlende ”træ” kun i nanostørrelse og kan kun drive en mobiltelefon, men måske vil en skov af sådanne store træer en dag fungere som hele elektricitetsværker.
Også regndråbers energi kan tappes
Franske forskere har udviklet en metode til at omdanne regn til elektricitet ved hjælp af piezoelektronik. Regnenergien kan forsyne trådløse sensorer og anden trådløs mikroelektronik med strøm. Afhængig af regndråbernes størrelse rammer de jorden med en kraft, der kan producere op til 12 milliwatt.
Forskerne fandt ved hjælp af computersimulationer ud af, at den optimale energimodtager er et piezoelektrisk modul med en tykkelse på 25 mikrometer, og forskeren opstillede herefter en ti cm lang række af piezo-modtagere og lod dråber fra en pipette regne ned over dem med realistiske dryphastigheder.
Metoden vil kunne strømforsyne en lille sensor, der kan tænde for bilens vinduesviskere eller måske en sensor, der trådløst kan transmittere informationer om bl.a. forurening.
Træd energi op af jorden
En flise af billige genbrugsmaterialer kan omsætte trin til elektrisk strøm. Hver flise kan producere 2,1 watt i timen, og strømmen kan anvendes direkte til lavvolts-gadebelysning, lysskilte og infoskilte eller oplagres i et genopladeligt litiumbatteri. Fliserne kan også bruges på sportsarealer, diskoteker og alle steder, hvor mange mennesker færdes.
Materialet i fliserne fra det britiske firma Pavegen Systems er hovedsageligt genanvendt gummi og stål, og fliserne er vandtætte og hårdføre og kan tåle 20 millioner påvirkninger svarende til en levetid på fem år.
Brug bolden og hent ny energi
Et tidligere team fra Harvard Univesity står bag firmaet Uncharted Play, der har udviklet en energiudviklende fodbold ved navn Soccket. Bolden vejer en smule mere end en ordinær fodbold, og det skyldes mekanismen indeni, der ved hjælp af en pendul-drevet generator oplader et batteri. Energien kan så senere udnyttes af eksempelvis en LED-lampe, der sættes ind i et stik i bolden. Firmaet angiver, at blot en halv times boldspil giver strøm nok til at forsyne sådan en lampe i op til tre timer.
Snup energi fra ledninger
Energiopsamling fra elektromagnetiske felter er ikke nyt, men hvor sådanne enheder hidtil blot har kunnet oplade et enkelt AA-batteri på en dags tid, kan en ny enhed angiveligt ikke blot udnytte elektromagnetiske felter fra mobiltelefoner, kaffemaskiner, fjernsyn og meget andet, men også udnytte stråleenergien fra højspændingskabler, radarstationer og sågar levende væsner.
En forsker på universitetet i Utah har designet to forskellige versioner af enheden. Den ene reagerer på lavfrekvente felter som i elnettet, mens den anden er følsom for højfrekvente felter fra Bluetooth, WLAN og radiotransmission. Andre forskere er imidlertid højst skeptiske, hvad angår funktion og virkemåde endsige effektivitet af Utah-opfinderens produkt, der stadig mangler fuld dokumentation.
Ryst strøm ud af stoffet
Nu har det japanske teknologifirma Ricoh udviklet et ”energigivende gummimateriale”. Det er en ny piezoelektrisk polymer – en slags meget elastisk og modstandsdygtig folie, der omsætter tryk og vibrationer til elektrisk strøm med langt højere effektivitet end hidtidige løsninger. Jo større påvirkninger, jo mere strøm producerer det nye materiale. Ricoh er nu ved at forfine prototypen og gøre den nye strømkilde kommercielt tilgængelig til brug i f.eks. beklædning og telte.
Strøm fra knæbøjninger
Et team af videnskabsfolk fra England har udviklet en lille bærbar enhed, der kan producere strøm, når du bøjer dine knæ. Pizzicato knee-joint energy harvester sidder på ydersiden af knæet og består af et hjul med fire fremspringende arme omgivet af en knipsering. Hjulet roterer en kvart omgang for hver knæbøjning, og små tappe på indersiden af ringen anslår derved armene, og det er deres fysiske svingninger, der omsættes til elektrisk energi. Indtil videre kan enheden trække to milli-watt ud af dine knæbøjninger, men skulle kunne nå op på 30 milliwatt, så den kan drive wearables.
Knæets bøjninger drejer et hjul (rotor) med fire arme af et særligt fleksibelt materiale (PZT bimorphs). Det bliver sat i svingning af tappe (plectra) på en ydre ring (stator). Armenes svingninger omsættes til strøm.
Tømmer planter for energi
Nu skal vi kunne hale fotosyntese-energi ud af rigtige planter. Fotosyntese omsætter lys til energi ved at spalte vand til brint og ilt, hvorved der frigøres elektroner, som planterne udnytter til at skabe næringsstoffer. Den nyfundne proces går simpelthen ind og kidnapper disse elektroner ved hjælp af kulstofnanorør, før planten selv kan nå at gøre brug af dem, og leder dem ud af planten gennem en ledning som elektrisk energi. Forskere fra University of Georgia står bag nyheden.
