Ny chipteknologi høster overskudsvarme fra elektronik
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Ny chipteknologi høster overskudsvarme fra elektronik

Illustration: University of Texas at Dallas

Forskere og elektronikproducenter har i mere end 30 år har jagtet nye teknologier, der kan anvendes til at høste energi fra omgivelserne og konvertere energien til elektricitet til den stadigt voksende mængde elektronikprodukter. Men selvom de fleste trådløse sensorer er blevet markant mere energieffektive og billige over de seneste ti år, så forsynes de stadig stort set alle sammen af konventionelle batterier, og antallet af batterier fortsætter med at vokse, fordi der hvert år kobles op mod en milliard nye Internet of Things- eller IoT-enheder på internettet.

Nu har en gruppe fysikere fra Texas University præsenteret en ny metode til energihøstning ved hjælp af termoelektrisk effekt, altså direkte energiomdannelse af temperaturforskelle til elektrisk energi. Det gør de ved at bruge små nanotråde af silicium, som kan konvertere overskudsvarmen fra elektronik til brugbar energi. Resultaterne er for nyligt blevet publiceret i en videnskabelig artikel i Nature Electronics.

»Overskudsvarme er alle steder; eksempelvis varmen som din bilmotor genererer. Den type varme forsvinder som regel, men hvis du har en konstant temperaturforskel - selv hvis den er meget lille - kan du høste varme og konvertere til at elektricitet der kan drive din elektronik,« siger Mark Lee, professor og leder af Department of Physics på School of Natural Sciences and Mathematics på University of Texas i en pressemeddelelse.

Læs også: Selvforsynende elektronik snegler sig frem

Svært at udnytte overskudsvarmen

At høste energi fra temperaturforskelle kendes som termoelektrisk effekt, og har været kendt i mange år. Metoden fungerer ved at man udnytter de spændingsforskelle der opstår, når der er forskellige temperaturer på et modul. Men der er ikke mange elektronikprodukter der høster energi fra sin egen overskudsvarme, fordi effektiviteten har været for lav og omkostningerne for høje.

»Termoelektrisk generation har været for dyrt, både i forhold til omkostningerne per enhed, og omkostningerne per watt energi der genereres. De bedste materialer er forholdsvis eksotiske og er enten sjældne eller giftige, og de er ikke nemme at gøre kompatible med almindelig halvleder-teknologi,« siger Mark Lee.

Hans forskningsgruppe har anvendt små nanotråde af grundstoffet silicium, som ellers er kendt for at have relativt dårlige termoelektriske evner.

»Hvis du bruger for meget silicium vil den temperaturforskel der skaber grundlaget for energihøsten falde. For meget overskudsvarme bliver brugt, og fordi varme-til-kulde marginen falder, kan du ikke generere ret meget termoelektrisk energi,« siger Mark Lee.

Den simple løsning er altså at bruge meget tynde silicium-tråde, også kendt som nanotråde. Den erkendelse er ikke ny, og blev præsenteret af en gruppe forskere tilbage i 2008, hvor de viste, at det er muligt at opnå en forholdsvis god termoelektrisk effekt, hvis materialet er under 100 nanometer. Til sammenligning er et stykke almindeligt papir omkring 100.000 nanometer i tykkelsen.

Læs også: Nye trådløse teknologier sluger miljøbelastende batterier

Mark Lee, professor ved University of Texas har vist, hvordan man kan bruge nanotråde af silicium til at høste energi fra den overskudsvarme der skabes i elektroniske produkter, eksempelvis sensorer. Illustration: University of Texas at Dallas

Forlænger i bredden

Men så opstår den næste problem, som er det Mark Lee og hans kolleger mener de har fundet en løsning på.

For når silicium-materialet bliver så småt, så er det svært, hvis ikke umuligt, at integrere dem i en industriel chip-produktion i stor-skala. De kendte processer og maskiner til at fremstille elektroniske kredsløb kan simpelthen ikke håndtere de små materialer.

Den produktionsmæssige udfordring mener Mark Lee at kunne omgå ved at bruge såkaldte nanoblade, altså nanoklinger, som godt nok kun er 80 nanometer i tykkelsen, men så til gengæld er otte gange så bredde, hvilket gør det muligt at integrere dem i chipproduktionen og stadig beholde en brugbar termoelektrisk effekt. I Nature-artiklen viser de hvordan de har fremstillet funktionelle termoelektriske generatorer der kan fremstilles ved hjælp af konventionelle CMOS-halvlederprocesser, som i dag bruges til at fremstille MOSFET-transistorer, den mest udbredte almindelige og udbredte transistortype.

»Du kan godt leve med en 40 procents reduktion i termoelektrisk evne i forhold eksotiske materialer, fordi din omkostninger per generet watt styrtdykker. Faktisk er marginalomkostningerne en faktor 100 lavere,« siger Mark Lee.

Om de nye nanoklinger kan vise sig at være fremtidens metode til termoelektrisk energihøstning er endnu uvist, men to ting taler for, at metoden vil vinde indpas. Dels er materialet silicium, som i forvejen er det mest udbredte materiale til chipproduktion, også er metoden testet i en industriel chipproduktion hos Texas Instruments.

«Vi vil integrere teknologien med en mikroprocessor, med en sensor på den samme chip, med en ampflier eller radio og så videre. Vores arbejde er lavet i en kontekst med de samme regler der bruges til masseproduktion af chips,« siger Mark Lee.

Læs også: Ny elektronik forsyner sig selv med strøm

Kræver nye design

Ingeniøren har tidligere beskrevet hvordan væksten inden for Internet of Things - altså at flere og flere fysiske enheder bliver forbundet med internettet, kan vise sig at have en energimæssig bagside. Stort set alle trådløse IoT-enheder, eksempelvis sensorer, kameraer, og aktuatorer får energi fra batterier.

Selvom Mark Lees nye metode skulle vise at være fordelagtig, så kræver en mere radikal omlægning fra batterier til selvforsynende IoT-enheder også markante skift i design og udvikling af elektronikprodukter.

»Vi er i gang med et paradigmeskift inden for design af elektriske produkter. Vi har været vant til, at energilagring er en blok, der kan fjernes, som man vil. At basere sig på høstet energi kræver, at du indretter dit system efter, hvornår du har adgang til energikilder. I dag er mange blevet vant til at have adgang til data i realtid. Måske skal vi bevæge os mod at få data, når vi har energi til at overføre dem,« det har Dushan Vuckovic, embedded system designer hos Force Technology, hvor han bl.a. udvikler nye energiløsninger til IoT-systemer, tidligere udtalt til Ingeniøren.

Læs også: Batterifri Bluetooth-etiket henter energi fra radiobølger

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Lyder spendende, men det er ikke en evigheds maskine, så et form for lager og måske en backup solcelle eller bevægelses generator er nødvendigt, for at tænde chippen op, så varme kan omdannes til strøm, så chippen kan holdes kørende.
Glæder mig til at se hvordan de vil løse problemet, med varme der forsvinder ned i printet, istedet for chippens overflade.
Ved en rasperry pi eller lignende gætter jeg på at, 50-70% af chippens varme forsvinder ned i printet, så store mængder af energien overføres i forbindelsen til printet.
I praksis skal hele enheden inkapsles i denne teknologi og så skal elektronikken laves til at kunne holde til mere varme, da elementet vil varme lede dårligere end fri luft.

Ser et større pontentialle i biler, hvor spild varmen kan omdannes til elektricitet istedet for at køles væk. Det vil være langt nemmere at påføre sådan en belægning, mellem et elbils batteri og beskyttelses bundpladen i bilen.
Batteriets varme og bundpladens store overflade samt kontakt til frisk luft ville være tæt på perfekte forhold.

  • 0
  • 0

Et lille batteri kan levere strøm i mange år - typisk over 20 år, uden det fylder meget, og koster meget. Skal et termoelektrisk element drive elektronikken, så skal den kunne levere mere energi uden at fylde mere. Regner vi på, hvor mange milliarder instruktioner der kan udføres på et lille mikro-batteri, er det faktisk ganske mange.

Elektronik kan laves til at bruge meget lidt strøm - hvis softwarefolkene ellers bare koder det effektivt, og reducerer antallet af instruktioner der skal udføres til det mindst mulige. Det største problem vi har er softwarefolk, der ødsler med antallet af maskinkodeinstruktioner der udføres, og ikke er bevist om den energi, som udførsel af en instruktion koster. Og ofte, så tændes for resourcer uden at slukke dem, så analogelektronik og andet der ofte har statisk strømforbrug, som f.eks. SD-kort, står med strøm på hele tiden. Mange SD-kort har et statisk forbrug, men det afhænger meget af producenterne. Også bussystemer kan have statisk strømforbrug, hvis det ikke disables, når de ikke bruges, og at tiden de anvendes reduceres mest muligt.

De steder, hvor der er store temperaturforskelle, er normalt enorme mængder energi involveret, og den energi der høstes af temperaturforskelle er forsvindende. F.eks. i en bil, kan du oplade en lille kondensator, til at drive elektronikken i flere måneder, på brøkdele af et sekund, at motoren kører.

  • 1
  • 0

Det fleste forbruger batterier har en levetid på omkring 10 år, genopladelige har generelt en lavere levetid end det.
Hvis man skal op på 20 år eller mere, begynder prisen at stige drastisk og man bør overveje andre metoder at drive sine apperater med.

Har en 20 år gammel lommeregner ligende, den er født uden batteri, men drives af et solpanel istedet. I langt de fleste tilfælde er solpanelet nok til at drive lommeregneren og et batteri ville ikke kunne have holdt i 20 år, uden at miste sin evne til at fungere.

Store temperatur forskelle og store mængder energi, behøver ikke at hænge sammen.
Det kommer an på massen, objektets evne til at opsuge varme og varmeledningsevnen til omgivelserne.
En lodekolbe på 25W kan fint lave en forskel på 300 grader.
En mobil telefon chip kan også sagtens nå 80 grader inde i telefonen, selvom der bruges 1/10 Watt i chippen.

Moderne biler bruger desværre relativt store mængder standby strøm i forhold til i gamle dage, der er kommet keyless entry, App kommunikation til mobil telefon, over the air programming, alarmer med kameraer og mikrophoner osv.
For eksempel er der lavet målinger på Tesla sentry mode og efter seneste opdate, er bilen kommet ned på et 150W standby forbrug (25W uden sentry mode)
Vil gætte på en "dummere" bil bruger omkring ½-2W i standby, det kræver dog stadig en fornuftig stor kondensator, til at holde strøm i flere måneder.
Normalt afmonterer man batteriet ved flere måneders stilstand, da standby forbruget er nok til at dræne batteriet efter 6 måneder, en tilsvarende kondensator vil være flere gange større end et bilbatteri, selvom bly batteriets selvafladning regnes med.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten