Veijo Hänninen

Pienenergian keruu, osa I

Erilaisen hukkaenergian kerääminen hyötykäyttöön on tullut yhä suositummaksi kun halutaan toteuttaa erilaisia etäällä olevia mittausratkaisuja. Niistä etsitään energiaratkaisuja myös ihmiskehon sisäisiin mittaus- ja tiedonsiirtotarpeisiin.

Tässä osassa keskitytään uusimpiin pietso- ja tribosähköisiin tekniikoihin sekä luonnonilmiöistä ja radiotaajuuksista pienenergiaa kerääviin ratkaisuihin. Seuraavassa osassa paneudutaan lämpösähköisyyden kehityskuvioihin.

Aurinko- ja valokennot ovat yksi itsenäisen energiankeruun laajimmin sovellettu ratkaisu. Sen tekniikka on jo varsin vakiintunutta mutta esimerkiksi University of Texas at Arlington fyysikoiden johdolla kehitettiin vuonna 2012 hybridi nanomateriaali, jota voidaan mikropiiritasolla käyttää muuntamaan valoa ja lämpöenergiaa yhtä aikaa sähkövirraksi.

Tehokkaampaa keruuta

MIT:n tutkijat esittelivät kesällä 2015 tehonkeruun piiriratkaisun, joka voi kerätä yli 80 prosenttia siihen ohjatusta energiasta, jopa erittäin alhaisilla pienten aurinkokennojen tehotasoilla.

Kun aiemmat ratkaisut toimittivat tehoa joko akkuun tai käyttökohteeseen uusi ratkaisu voi toimittaa tehoa molemmille. Näille toiminnoille se myös jakaa saman induktorin – joka on siru tärkein sähköinen komponentti - mikä säästää piirilevytilaa, mutta lisää piirin monimutkaisuutta.

Piirissä hyödynnetään erilaisten tehotasojen vastaanottoon erilaisia kondensaattoriryhmiä sekä nopeita kytkinkomponentteja. Protopiirin valmisti TSMC ja mukana ollut Maximin tutkija kommentoi ratkaisua yhtenä alan täydellisimpänä järjestelmänä.

Atomisen ohuita aurinkokennoja

Grafeenista ei sellaisenaan ole aurinkokennojen materiaaliksi mutta joillakin atomikerroksisien rakenteilla se onnistuu.

Wienin teknillisen yliopiston tutkijat kertoivat keväällä 2014 kehittäneensä ensimmäisen diodin volframin ja seleenin (WSe2) atomikerroksista. Rakennetta voidaan käyttää joustavana ja läpinäkyvänä aurinkokennona.

Kerros on niin ohut, että 95 prosenttia valosta menee suoraan sen läpi mutta kymmenesosa jäljellä olevasta viidestä prosentista absorboituu ja muunnetaan sähköenergiaksi.

Mekaaniset värähtelyt energiaksi

Matalataajuinen värinä ja tärinä ovat runsaimmat ja miltei kaikkialla läsnä oleva pienenergialähde teollistuneessa ympäristössämme.

Yleensä mekaanista liikettä kerätään energiaksi varsin rajallisilta värähtelykaistoilta mutta A*STAR Institute of Microelectronicsin (IME) tutkijoiden vuonna 2013 kehittämä energiaharvesteri kykenee muuntamaan värähtelyt laajalta taajuusalueelta sähköksi.

Tutkijat saivat aikaan alumiininitridiin (AIN) -perustuvan keruurakenteen, jolla on ennätyskorkea 1,5 x 10-3 W/cm3 tehotiheys ja se toimii laajalla 10 – 100 Hertsin taajuusalueella.

Pelkkä alumiininitridi ei riitä vaan konseptissa hyödynnetään kytkeytymisilmiötä Vortex-värähtelyjen ja Helmholtz resonoinnin välillä parantamassa Helmholtz resonointia ja madaltamassa kynnystuloa.

Nopea törmäyksen tunnistin

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat osoittaneet, että Galfenol-materiaali voi tuottaa huomattavia hetkellisiä tehoja vahvojen vaikutuksien alaisuudessa.

Galfenol on magnetoelastinen materiaali ja yleensä se voi muuntaa mekaanisen energian magneettiseksi energiaksi ja päinvastoin mutta sitä voidaan käyttää myös sähköntuotantoon kiertämällä käämitys materiaalin ympärille. Tällöin sitä voitaisiin käyttää langattomana vaikutusilmaisimena.

Sellainen voidaan asentaa ajoneuvoon. Koska sähkömagneettiset aallot kulkevat kolme kertaluokkaa nopeammin kuin mekaaniset aallot, tieto iskuvaikutuksesta voitaisiin lähettää ennen mekaanisten aaltojen vaikutusta.

Näin voisi langattomasti ilmaista tulevia vaikutuksia, ennen kuin suurin osa ajoneuvoa (tai matkustajat) ehtivät edes tuntea sen. Tämä mahdollistaisi nopean tietokoneen ryhtyä toimiin lieventämään vahinkoja tai vammoja.

Pietsosähköä vaikka sydämestä

Mekaanisesta energiasta voidaan kerätä sähköä myös pietso- ja hankaussähköisillä vaikutuksilla.

Alkuvuodesta 2014 yhdysvaltalais-kiinalainen tutkijakimppa kertoi kehittäneensä mesohuokoisen pietsosähköisen nanogeneraattorin. Sienimäinen mesohuokoisuus ja pehmeys mahdollistaa generaattorin käytön tasaisilla, karkeilla tai kurvikkailla pinnoilla, kuten ihmisen iholla.

Erityisesti lääketiede kaipaa kehon sisäisiä energian tuottajia.

University of Illinois at Urbana-Champaignin tutkijat ovat luoneet ohuita, joustavia elektronisia laitteita, jotka tehokkaasti keräävät mekaanista energiaa ihmiskehon luonnollisista liikkeistä.

Kuvassa ryhmä lyijy-zirconate-titanaattisia nanonauhoja taipuisalla polymeerillä tuottavat virtapulsseja jokaisen sydänsykkeen aikana. Nämä pulssit tasasuunnataan ja käytetään varaamaan mikroparistoa. Saatu teho riittää käyttämään istutettavaa elektroniikkaa kuten sydämentahdistinta.

Koelaitteet tehtiin pietsosähköisestä keraamisesta materiaalista, lyijy-sirkonaatti-titanaatista (PZT).

Pietsoilmiöitä venyvistä ja kaksiulotteisista

Elastisia energialaitteita kehitellään erityisesti venyviin sovelluksiin kuten puettavalle elektroniikalle.

KAIST:n ja Seoul National Universityn tutkijat (SNU) tutkijat osoittivat helpon menetelmän saada aikaan suorituskykyinen ja hyper-venyvä elastiskomposiittinen generaattori käyttäen hyvin pitkiä hopeisiin nanolankoihin perustuvia venyviä elektrodeja.

Toteutettu venyvä pietsosähköinen generaattori tuotti energiaa noin neljän voltin jännitteellä. Generaattorin elastisuus oli noin 250% ja kestävyys yli 10 000 sykliä.

Syksyllä 2014 Columbia Engineeringin ja Georgia Institute of Technologyn tutkijat saattoivat hehkuttaa kehittäneensä maailman ohuimman sähkögeneraattorin. Lisäksi se oli ohuin mekaanisien aistimuksien laitteita, jotka ovat optisesti läpinäkyviä, erittäin kevyitä ja taipuisia sekä joustavia.

Molybdeenidisulfidilla pietsosähköinen vaikutus ilmenee parittomilla määrillä kerroksia ja oikean suuntaisella taivutuksella. Erikoista on, että massatavarana MoS2 ei ole pietsosähköinen.

Sähköä vaikka kalan suomuista

Kalan suomut sisältävät kollageenikuitua, jolla on pietsosähköinen ominaisuus. Jadavpurin yliopistossa Koltatassa toimiva tutkijaryhmä ryhtyi ensimmäisenä hyödyntämään tätä ominaisuutta valmistaakseen biologisen pietsosähköinen nanogeneraattorin.

Vaikka on hyvin tiedossa, että yksittäinen kollageenikuitu osoittaa pietsosähköisyyttä, aiemmin kukaan ei ollut yrittänyt keskittyä kollageenin nanofibrilleihin, joita on kalan suomussa.

University of Pittsburghin tutkijat ovat teoretisoineet järjestelmää jossa tietokone ja materiaali ovat yksi ja sama yksikkö. Heidän mallintama hybridimateriaali voi muuntaa kemiallisia, mekaanisia ja sähköenergiaa suorittamaan laskennallisia tehtäviä ilman ulkoista sähkötehon lähdettä.

Tutkijoiden järjestelmässä itsevärähtelevä geeli käy läpi Belousov-Zhabotinsky reaktion pietsosähköisen ulokkeen päällä. Kun nämä yksiköt on kytketty sähköisesti sarjaan, niiden värähtelyt tulevat synkronoiduiksi läpi koko verkoston ja tutkijat pystyivät osoittamaan, että näin voi suorittaa hahmontunnistusta.

Tribosähköinen energiankeruu

Yksinkertaisimmillaan, tribosähköisessä generaattorissa käytetään kahta erilaista materiaalia, toinen on elektronin luovuttaja ja toinen elektronin vastaanottaja. Kun materiaalit ovat kosketuksessa, elektronit virtaavat materiaalista toiseen. Kun arkit erotetaan, niihin syntyy sähkövaraus jonka eristää rako niiden välillä. Eräässä muunnelmassa tätä tekniikka, materiaaleja vielä hierotaan yhteen ennen kuin ne erotetaan.

Nanotekniikka vauhdittaa tätäkin sektoria. Georgia Techin tutkijat saivat aikaan huomattavan teholisäyksen soveltamalla mikrometriskaalan kuvioita polymeerilevyihin. Kuviointi lisää tehokkaasti kosketuspinta-alaa ja siten varauksen siirron tehokkuutta. He raportoivat saaneensa neliömetrin kokoisesta yksikerroksisesta materiaalista ulos peräti 300 wattia tehoa.

Pekingin yliopiston tutkijoiden kehittämä tribosähköinen rakenne hyödyntää ihmiskehoa johteena korvatakseen maadoitetun elektrodin. Se ei vain tee menetelmästä käytännöllisen kannettavan elektroniikan sovelluksille, vaan myös johtaa tehontuoton parannukseen.

Kuvassa energian keruumekanismi ja generaattorin sijaiskytkentä ihmiskehon toimiessa elektrodina. Kun sormi napsahtaa kitkapinnalle, sillä on taipumus luovuttaa elektroneja, mikä aiheuttaa sähkövarauksen liikkumisen edestakaisin induktioelektrodin ja varautuneen ihon välillä.

Sellua ja kangasta

Eräs tribosähköinen nanogeneraattori on tehty keräämään akustista energiaa ja tuottamaan omavoimaista äänen tallennusta. Kaiken lisäksi se on tehty paperille.

University of Wisconsin–Madisonissa kehitetty tribosähköisen generaattorin menetelmä ottaa puolestaan käyttöön puumassan. Siinä hyödynnetään selluloosan nanokuituja joista osaa on käsitelty kemiallisesti. Ne tuottavat sähkövarausta, kun ne joutuvat kosketuksiin käsittelemättömien nanokuitujen kanssa.

Äskettäin Georgia Institute of Technologyn tutkijat kutoivat kankaan, joka voi samanaikaisesti kerätä energiaa sekä auringosta että liikkeestä. Kangas luotiin polymeerikuituisista aurinkokennoista sekä kuitupohjaisista tribosähköisistä nanogeneraattoreista.

University of Central Floridan tutkijat loivat puolestaan kankaan, jossa yhdistyy perovskiittisen aurinkokenno ja superkondensaattori. Näin he loivat kankaan, joka toimii sekä energian kerääjänä että sen varastoinnin elementtinä.

Metamateriaali sopii energiankeruuseen

Myös monenlaista radiosignaalin keruuta sähköenergian tuottamiseksi on harrastettu.

Duke Universityn Pratt School of Engineeringin tutkijat kertoivat vuonna 2013 suunnitelleensa pienenergiaa kerääviä laitteita, joiden hyötysuhde vastaa nykyaikaisia aurinkopaneeleja.

He hyödynsivät suunnitelmissaan metamateriaaleja. Ne ovat tavallaan luonnostaan sopivia energiankeruuseen sillä ne voidaan sovittaa kytkeytymään erilaisiin energiatyyppeihin alkaen akustisista aina optisiin saakka.

Duken insinöörit rakensivat RF-signaaleja kerääviä metamateriaalirakenteita. He saivat viiden avorengasresonaattorin rinnankytkennän muuntamaan mikroaaltoja 7,3 voltin jännitteeksi.

Näin kootulla rakenteella he saivat kerätyksi WiFi-keksittimen radioaalloista energiaa lähes 37 prosentin hyötysuhteella. Tyypillisesti 6 - 10 prosenttista hyötysuhdetta voidaan pitää näissä laitteissa jo hyvänä.

Sähköä fotosynteesiltä varastaen

Kasvit ovat aurinkoenergian käytön mestareita sillä useimmat niistä toimivat lähes sataprosenttisella kvanttihyötysuhteella eli jokainen kasvin kaappaama fotoni tuottaa lähes vastaavan määrän elektroneja. Auringonvaloa kasvit käyttävät veden jakamiseksi vedyksi ja hapeksi, mikä vapauttaa vedystä elektroneja

University of Georgian tutkijat kehittivät vuonna 2013 tavan häiritä fotosynteesiä sen verran, että he voivat kaapata vapaita elektroneja ennen kuin kasvi käyttää niitä sokereidensa tuotannossa.

Tutkijat manipuloivat pinaatin tylakoidien sisältämiä proteiineja keskeyttämään reittiä, jota pitkin elektronit kulkevat ja elektronit ulosvieviksi jatkoreiteiksi käytettiin moniseinämäisiä hiilinanoputkia.

Saavutettu maksimivirta oli 68 mikroampeeria neliösenttimetriltä ja vakaa toimintavirta 38 mikroampeeria neliösentiltä. Järjestelmä toimii myös polttokennona lakkaasin ollessa katodina, jolloin tehotiheys oli 5,3 nanowattia neliösentiltä mikä on verrattavissa entsymaattisiin polttokennoihin.

Ramppi ja liuku generaattorina

Norjalaisen Vestfold University Collegen tutkijat loivat vuonna 2012 yksinkertaisen ja tehokkaan energian keruulaitteen, joka hyödyntää yhden pisaran liikettä tuottaakseen sähkötehoa.

Keruulaite tuottaa virtaa kun sähköä johtava pisara (elohopea tai ioninen neste) liukuu pitkin ohutta mikrovalmistettua elektreettikalvoa, jolla on pysyvä valmistuksen aikana tuotettu sisäinen sähkövaraus.

Laitteen jaksottaiset kallistumiset aiheuttavat pisaran vilistävän kalvonpinnan poikki; maksimijännite (ja teho) ilmenee, kun liukuva pisara saavuttaa suurimman nopeutensa toisessa päässä kalvoa.

Harvesterin prototyyppi osoitti huippuantotehoa 0,18 mikrowattia käyttämällä yhtä halkaisijaltaan 1,2 millimetristä pisaraa liukuen pitkin 2 mikrometrin paksuista elektreettikalvoa.

Kvanttipisteet energiaa keräämään

Rochesterin yliopiston tutkijat kehittelevät nanomittakaavan laitetta, jossa kvanttipisteillä tuotetaan sähköä hukkalämmöstä.

Tutkijoiden mukaan neliötuuman alueelta voisi tuottaa noin watin tehon jokaista yhden asteen lämpötilaeroa kohden. Esitetty ratkaisu perustuu kahteen vierekkäiseen kvanttipisteeseen, jossa virta kulkee ensin yhden ja sitten toisen läpi.

Järjestelmä perustuu kvanttimekaaniseen ilmiöön, jota kutsutaan resonanssitunneloinniksi eli kvanttipisteet toimivat kuin täydelliset energiasuodattimet.

Kvanttipisteitä voidaan kasvattaa itse järjestäytyvällä tavalla puolijohdemateriaalista. Tämä mahdollistaa käytännöllisen tavan tuottaa niitä suuriakin ryhmiä ja useina kerroksina.

Grafeeni nurjahtelee

Kansainvälinen tiimi fyysikoita, joita johti University of Arkansasin tutkijat, on havainnut spontaania mekaanista nurjahdusta vapaasti seisovassa grafeenissa, mikä osoittaisi sillä olevan potentiaalia olla uusi elektroninen virtalähde.

Tutkijat havaitsivat, että lommahdusliike muistuttaa ilmiötä, joka tunnetaan "Lévyn lentona (Lévy flight). Se viittaa satunnaiskulkuprosessiin ja ne ovat yleisiä biologisissa systeemeissä ja mallintavat tarkasti esimerkiksi eläinten ruuan etsinnän kuvioita.

Vapaasti seisovan grafeenin jatkuva liike, täydennettynä näiden satunnaisien käännöksien suurella kineettisellä energialla, voidaan muuntaa sähkövirraksi ja käyttää akkujen asemesta antamaan tehoa pienille elektronisille laitteille.

Marraskuu 2016