Grafeenspoel haalt stroom uit magneetveld van stroomkabels: sensor werkt zonder batterij
Onderzoekers uit Arkansas en Michigan voeden een temperatuursensor met energie uit het magneetveld rond stroomkabels, via een onderdeel van grafeen. Valt de stroom uit, dan werkt de sensor nog minstens 24 uur door.
Sensoren zitten overal: in fabrieken, in koelwagens, in de bodem van akkers en in fitnesshorloges. De meeste werken op een batterij. Die moet op een dag vervangen worden, en dat kost tijd, geld en levert afval op. Bij duizenden sensoren op lastige plekken wordt dat al snel een groot probleem.
Onderzoekers van de University of Arkansas en de University of Michigan laten nu een temperatuursensor zien die helemaal geen batterij nodig heeft. Hij haalt zijn energie uit het magneetveld rond gewone stroomkabels. Het onderzoek verscheen in het vakblad Journal of Vacuum Science & Technology B. Eerste auteur is promovendus MD Rezaul Kabir. De uitvinding komt van natuurkundige Paul Thibado, die al ruim tien jaar onderzoek doet naar grafeen: een laagje koolstof van precies één atoom dik.
Hoe het werkt
Door een stroomkabel loopt wisselstroom. In de Verenigde Staten gaat die zestig keer per seconde heen en weer (in Europa vijftig keer). Daardoor hangt er rond de kabel een magneetveld dat steeds verandert. Een spoel in de buurt vangt daar een klein beetje energie uit op.
Het team gebruikt een spoel van grafeen, afgestemd op die zestig keer per seconde. Een speciaal ontworpen schakeling zet de opgevangen wisselstroom om in gelijkstroom. Daarmee worden condensatoren opgeladen: kleine opslagjes voor elektrische lading, een soort mini-accu's die snel laden. De sensor zelf verbruikt heel weinig, in de orde van nanowatts: miljardsten van een watt.
Volgens Thibado gaat het laden langzaam, maar nog altijd sneller dan de sensor de lading verbruikt. Zolang er stroom door de kabel loopt, blijven de condensatoren dus vol. Valt de stroom uit, dan teert de sensor op die voorraad. Thibado schat dat hij dan zeker 24 uur doorwerkt, en waarschijnlijk zelfs een week. Hij noemt het "set it and forget it": ophangen en er niet meer naar omkijken.
Het team had zichzelf drie eisen gesteld: de energie komt uit de directe omgeving, het verbruik blijft op het niveau van nanowatts, en de sensor moet jarenlang, misschien zelfs tientallen jaren, zonder onderhoud werken. Volgens de onderzoekers voldoet deze sensor aan alle drie.
Wat de volgende stap is
Dit is al de tweede sensor van het team die zichzelf van energie voorziet. De eerste werkte op zonnecellen van grafeen. Het einddoel is één sensor die energie haalt uit meerdere bronnen tegelijk: zonlicht, warmte, geluid, beweging en het magneetveld van kabels. Valt één bron weg, dan neemt een andere het over.
Thibado ziet toepassingen in het volgen van zendingen en vrachtwagens, metingen van lucht en bodem, sporthorloges en medische apparaten. Het gaat nu nog om één proefmodel van een temperatuursensor, getest door de onderzoekers zelf. De volgende stap is een sensor die meerdere energiebronnen combineert.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Hoe meer sensoren er zijn, hoe beter machines en AI-systemen de wereld om zich heen kunnen volgen. Maar elke sensor met een batterij vraagt om onderhoud, en dat remt de groei. Sensoren die jarenlang op energie uit hun omgeving draaien, kunnen op plekken hangen waar nu niemand ze wil vervangen: in muren, onder de grond of hoog in een mast. Lukt het team om meerdere energiebronnen in één sensor te combineren, dan komt een wereld vol slimme, onderhoudsvrije meetpunten een stap dichterbij.
