Ny chipteknologi høster overskudsvarme fra elektronik
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.
Ifølge Dushan Vuckovic, senior embedded system designer hos Force Technology, er der i dag tre dominerende metoder til energihøst. Solceller Termoelektrisk effekt Kinetisk energiTre slags energihøst
En lille diode fungerer som transducer, der via den fotovoltaiske effekt omdanner en del af den modtagne lysenergi til elektrisk energi. De fleste kan nok huske solcellerne i de små lommeregnere, men solceller kan bruges til mange andre formål, f.eks. til trådløse prisskilte i supermarkeder.
Direkte energiomdannelse af temperaturforskelle til elektrisk energi. Der dannes en spændingsforskel, når der er forskellig temperatur på begge sider af et modul. Temperaturforskelle kan høstes fra eksempelvis armbåndsure eller andre såkaldte wearables.
Piezoelektriske transducere producerer elektricitet, når de udsættes for kinetisk energi fra vibrationer og bevægelser. Transduceren konverterer den kinetiske energi fra vibrationer til en vekselstrømsudgangsspænding. Ved at udnytte den piezoelektriske effekt fra mekaniske bevægelser i vibrationer i f.eks. en motor eller friktionen mellem et køretøjs hjul og underlag, kan der tilføres nok energi til, at en sensor kan overvåge motoren eller underlagets tilstand og sende data ud. Der findes i dag også batteriløse lyskontakter, som henter energi fra trykket på kontakten. Det er nok til at sende et signal til et smart home-system om at tænde lyset. Kontakten kan dermed frit flyttes rundt i en bygning.
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
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
