В Массачусетском технологическом институте придумали, как использовать естественные вибрации для обеспечения приборов электричеством.

Системы беспроводных датчиков помогают контролировать состояние путепроводов, железнодорожных путей, мостов и даже лесов в пожароопасный период, не требуя участия человека. На сегодняшний день только один фактор ограничивает их широкое распространение – потребность в энергии.

Можно поставить тысячи датчиков, которые будут снимать показатели на всей площади, которую необходимо контролировать. Но экономически невыгодно снабжать каждый из них аккумулятором или тянуть километры проводов, особенно если речь идет о труднодоступных местах.

На помощь ученым пришли микроэлектромеханические системы (МЭМС) и пьезоэлектрический эффект.

Исследователи обратили внимание на вибрации и колебания от движения поездов, автомобилей, нефтепродуктов и т.д. Разработанное исследователями устройство размером около 25 мм способно преобразовывать механическую энергию низкочастотных колебаний в электрическую, обеспечивая датчики энергией в течение неопределенного срока.

Новый генератор воспринимает более широкий диапазон колебаний и способен производить в 100 раз больше электроэнергии по сравнению с предыдущими разработками. В последние несколько лет ученые широко экспериментировали с пьезоэлектрическими преобразователями, но такой эффективности не удалось добиться никому.

Профессор Санг-Гук Ким объясняет принципиальное отличие разработки его команды от других:

«Для получения электричества исследователи применяли такие материалы как кварц и другие кристаллы. Но их подход имел существенное ограничение – эффективная генерация энергии была возможна только на определенной частоте».

Такие устройства были хороши в лабораторных условиях, но при большом диапазоне частот механических колебаний они становились практически неэффективными. Для решения этой проблемы некоторые исследователи применяют генераторы из нескольких слоев пьезоэлектрических материалов, способных воспринимать несколько частот. Ким называет этот способ слишком дорогим:

«Для сети из миллиона датчиков цена одного микрогенератора 10 долларов может быть слишком высокой».

Разработанное его группой устройство однослойное и стоит менее одного доллара. В его основе – покрытый пьезоэлектриком небольшой мост с чипами на обоих концах.

Испытания показали, что такая структура воспринимает широкую частоту низкочастотных колебаний. Исследователи установили, что устройство с одним слоем пьезоэлектрика в состоянии произвести 45 мкВт энергии – на два порядка больше существующих конструкций. В настоящее время ученые MIT работают над доведением мощности своего генератора до 100 мкВт. Этого будет достаточно для питания интеллектуальных датчиков.