Kaip be baterijų veikiantys jutikliai gali pakeisti miestus ir namus? Ateities energijos sprendimas

Jutikliai, kurie matuoja temperatūrą, drėgmę, judesį ar vibracijas, šiandien įmontuoti beveik visur: nuo gamyklų iki išmanių laikrodžių. Tačiau daugumai jų reikia baterijų, kurias reikia keisti, krauti ir utilizuoti, o tai kainuoja laiką, pinigus ir palieka atliekas.

Nauja kryptis vadinama energijos surinkimu iš aplinkos: tai mažos sistemos, galinčios pačios pasigaminti tiek energijos, kiek reikia duomenims išsiųsti. Jos gali pakeisti milijonus įprastų jutiklių ir atverti kelią ilgiau tarnaujančioms, mažiau priežiūros reikalaujančioms technologijoms miestuose ir namuose.

Kas yra energijos surinkimas?

Energijos surinkimas iš aplinkos reiškia, kad įrenginys naudoja aplink jį esančią energiją, o ne bateriją ar laidinį maitinimą. Tai gali būti šviesa, šiluma, vibracijos, radijo bangos ar žmogaus judesys, pavyzdžiui, žingsniai.

Pats principas nėra naujas, nes saulės baterijos ant stogų taip pat surenka energiją iš aplinkos. Skirtumas tas, kad kalbama apie labai mažus kiekius, kurių pakanka tik mažai galiai reikalingiems jutikliams ar ryšio moduliniams įrenginiams.

Maži energijos šaltiniai, didelės galimybės

Iš pirmo žvilgsnio keli milivatų ar net mikrovatai atrodo kaip nereikšminga energija. Tačiau šiuolaikiniai mikroschemų rinkiniai, ryšio standartai ir atminties moduliai tampa vis taupesni, todėl net tokie kiekiai jau leidžia periodiškai rinkti ir perduoti duomenis.

Tokie jutikliai dažnai veikia trumpais „pabudimo“ ciklais: didžiąją laiko dalį miega, kaupia energiją nedideliame kondensatoriuje, o tada kelioms milisekundėms įsijungia, išmatuoja ir išsiunčia informaciją. Dėl to jie gali veikti metus ar dešimtmečius be jokios žmogaus intervencijos.

Saulė, šiluma, judesys ir radijo bangos

Populiariausias energijos šaltinis tokiems įrenginiams yra šviesa. Maži fotovoltiniai elementai gali veikti ir patalpų apšvietime, nors jo intensyvumas daug mažesnis nei saulės šviesos lauke, todėl reikalingas geras energijos valdymas.

Kita kryptis yra šilumos skirtumai. Termoelektriniai generatoriai panaudoja temperatūros skirtumą tarp dviejų paviršių ir jį paverčia nedidele elektros srove, todėl tinka, pavyzdžiui, ant vamzdžių, šilumos punktuose ar net ant žmogaus odos.

Vibracijų ir judesio energiją galima išgauti naudojant piezoelektrinius elementus arba mažyčius generatorius. Jie ypač naudingi ant tiltų, ant geležinkelių bėgių, ant gamybos įrenginių ar net avalynėje, nes judesys ten yra nuolatinis.

Dar viena galimybė yra radijo bangos, kurias skleidžia mobiliojo ryšio antenos, „Wi-Fi“ maršrutizatoriai ir kiti įrenginiai. Specialios antenos gali surinkti dalį šios energijos ir maitinti itin taupius jutiklius, nors atstumai ir galia čia labiausiai riboti.

Išmanūs miestai be baterijų

Išmanūs miestai dažnai siejami su tūkstančiais ar net milijonais jutiklių, stebinčių oro kokybę, eismo srautus, triukšmą ar infrastruktūros būklę. Šiuo metu tokios sistemos susiduria su praktiniu klausimu: kaip aprūpinti energija tiek daug įrenginių be milžiniškų priežiūros sąnaudų.

Naudojant energijos surinkimą, ant tiltų, viadukų ar pastatų būtų galima išdėstyti belaidžius jutiklius, kurie maitinasi iš vibracijų ar šilumos skirtumų ir patys siunčia informaciją apie įtrūkimus ar deformacijas. Tai leistų anksčiau pastebėti pavojingus pokyčius ir planuoti remontą racionaliau.

Eismo stebėsenos jutikliai, maitinami iš saulės elementų arba kelio vibracijų, galėtų padėti tiksliau valdyti šviesoforus, maršrutus ir viešąjį transportą. Miesto apšvietimo stulpai ir taip gauna daug aplinkos energijos, todėl ant jų montuojami jutikliai tampa natūraliu išmanių sistemų pagrindu.

Išmanūs namai ir pramonės įranga

Baterijų neturintys jutikliai gali keisti ir namų aplinką. Pavyzdžiui, langų, durų ar radiatorių jutikliai, maitinami iš patalpų šviesos ar nedidelių temperatūros skirtumų, galėtų veikti dešimtmečius, nepareikalaudami nė vieno baterijos keitimo.

Tokie įrenginiai leidžia kurti lankstesnes apsaugos ir šildymo valdymo sistemas, nes nereikia svarstyti, ar pavyks patogiai pakeisti baterijas. Tai ypač patrauklu renovuojamuose daugiabučiuose, kuriuose pravedžioti naujus kabelius dažnai sudėtinga ar brangu.

Pramonėje be baterijų veikiantys jutikliai gali stebėti guolių vibracijas, variklių temperatūrą ar vamzdynų slėgį. Jie maitinasi iš pačių šių įrenginių generuojamos šilumos ar judesio, todėl tampa patikimu ir pigiu būdu įdiegti nuotolinę būklės stebėseną senesnėje įrangoje.

Nauda aplinkai ir iššūkiai

Vienas mažai pastebimas, bet svarbus aspektas yra baterijų atliekos. Milijonai mažų elementų, naudojamų jutikliuose, laikui bėgant tampa sudėtingai perdirbamomis atliekomis, kurios dažnai baigia kelionę į bendrų atliekų srautą.

Pereinant prie jutiklių, kurie energiją gauna iš aplinkos, šių atliekų kiekis gerokai sumažėtų. Kartu mažėja ir su baterijų gamyba siejamas iškastinio kuro naudojimas bei žaliavų, tokių kaip ličis ar kobaltas, gavyba.

Vis dėlto tokie sprendimai turi ir ribų. Aplinkos energijos kiekiai yra nepastovūs, todėl reikia kruopštaus sistemos projektavimo, atsarginių energijos saugyklų ir programinės įrangos, kuri gebėtų dirbti su pertrūkiais tiekiama galia.

Be to, ne visoms užduotims pakanka taip surenkamos energijos. Nuolatinio duomenų srauto ar vaizdo perdavimo sistemoms vis dar reikalingi galingesni energijos šaltiniai, todėl energijos surinkimas labiausiai tinka retus, bet svarbius matavimus atliekančioms sistemoms.

Ką tai gali reikšti Lietuvai?

Lietuvoje šia kryptimi ypač įdomūs du sektoriai: energetika ir pastatų ūkis. Čia galima diegti jutiklius, kurie be baterijų stebėtų šilumos punktus, individualių namų šilumos siurblių darbą, saulės elektrinių našumą ar drėgmės pokyčius senų pastatų konstrukcijose.

Savarankiškai besimaitinančių jutiklių tyrimai ir kūrimas atveria nišą ir vietos elektronikos bei programinės įrangos įmonėms. Integruojant tokius sprendimus su ryšio technologijomis ir duomenų analize, galima kurti eksportui tinkamus produktus, orientuotus į išmanias miestų ir pramonės sistemas.

Ilgainiui energijos surinkimas iš aplinkos gali tapti tokia pat savaime suprantama technologija kaip šiandien yra saulės kolektoriai ant stogų. Tai leistų aplink mus esančiai technikai veikti tyliau, ilgiau ir su mažesne ekologine našta.