พลังงานทุกที่

การกำจัดพลังงานไม่ใช่แนวคิดใหม่ นาฬิกาข้อมือแบบไขลานซึ่งออสซิลเลเตอร์เชิงกลขนาดเล็กดึงพลังงานจากการเคลื่อนไหวของแขนของผู้สวมใส่ ปรากฏตัวครั้งแรกในปี ค.ศ. 1920 และแน่นอน กังหันลมและกังหันน้ำได้เก็บเกี่ยวพลังงานจากธรรมชาติมาเป็นเวลาหลายพันปีแล้ว แต่กระแสความสนใจในการกำจัดพลังงานสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์เริ่มขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่ 1990 เนื่องจากนักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่ดีกว่าในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์พกพาที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่

ตัวอย่างเช่น ในปี 1998 Joseph Paradiso 

และทีมงานของเขาที่ Media Lab ของ Massachusetts Institute of Technology ได้สาธิตเครื่องกำจัดพลังงานที่ฝังอยู่ในพื้นรองเท้าของรองเท้าวิ่ง มันอาศัยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก ซึ่งคริสตัลของวัสดุบางชนิดสร้างแรงดันไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อความเครียด ในกรณีนี้คือจากแรงกระแทกของส้นเท้าของผู้สวมใส่บนพื้น และมันก็ได้ผล

ผู้ใหญ่ทั่วไปใช้พลังงานหลายร้อยวัตต์ขณะเดิน และ 1,000 วัตต์ขึ้นไปขณะออกกำลังกายหนัก แต่ร่างกายของเราก็มีประสิทธิภาพอย่างน่าทึ่งเช่นกัน ทีมงานของ MIT พบว่ารองเท้าที่แตะมากกว่าเสี้ยวเล็กๆ ของกระแสพลังงานนั้นทำให้ผู้สวมใส่รู้สึกเหมือนเดินลุยโคลน ในท้ายที่สุด รองเท้า Media Lab ผลิตไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 60 มิลลิวัตต์ ซึ่งไม่เพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับ iPod ซึ่งน้อยกว่าการชาร์จโทรศัพท์มือถือด้วยซ้ำ

ผลจากการทดลองนี้และการทดลองอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ในไม่ช้านักวิจัยด้านพลังงานก็เปลี่ยนความสนใจจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาที่ค่อนข้างกินไฟมาเป็นอุปกรณ์เจเนอเรชันใหม่ที่ประหยัดกว่ามากซึ่งผลิตด้วยเทคโนโลยีระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS)

แนวคิดพื้นฐานของ MEMS ซึ่งมีมาตั้งแต่ปี 1970 คือการแกะสลักโครงสร้างเชิงกลระดับจุลภาคลงบนพื้นผิวของซิลิคอนเวเฟอร์โดยใช้เทคนิคที่คิดค้นขึ้นเพื่อสร้างไมโครโปรเซสเซอร์ ในช่วงทศวรรษที่ 1990 นักวิจัยของ MEMS ได้ผลิตเฟือง สปริง คานยื่น ช่อง และอื่นๆ 

ในทำนองเดียวกัน และอุปกรณ์ MEMS เชิงพาณิชย์รุ่นแรกออกสู่ตลาด 

การใช้งานรวมถึงหัวฉีดขนาดเล็กของเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท, มาตรวัดความเร็วขนาดชิปที่กระตุ้นการทำงานของถุงลมนิรภัยรถยนต์เมื่อเกิดการชน, กระจกไมโครของจอแสดงผลประมวลผลแสงแบบดิจิตอล และช่องไมโครที่เคลื่อนของไหลไปรอบๆ เพื่อการวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการแบบบูรณาการบน ชิป

ยิ่งไปกว่านั้น แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนของอุปกรณ์ MEMS สามารถรวมเข้ากับวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างง่ายดาย หากเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ควบคุม และเครื่องคำนวณอัจฉริยะ—เช่นเดียวกับอุปกรณ์กำจัดพลังงานด้วยกล้องจุลทรรศน์—สามารถฝังลงในชิปตัวเดียวกันได้ พวกมันก็จะรวมกันเป็นหุ่นยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งบางครั้งเรียกว่า ฝุ่นผงหรือฝุ่นอัจฉริยะ ซึ่งสามารถสร้างองค์ประกอบการทำงานได้ ของเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง

อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของการประหยัดพลังงาน ข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยมของเซ็นเซอร์ MEMS คือโดยปกติแล้วเซ็นเซอร์เหล่านี้ต้องการพลังงานเพียงประมาณ 100 ไมโครวัตต์ ซึ่งเป็นหนึ่งในพันของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาสำหรับผู้บริโภคทั่วไปที่ต้องการ พลังงานจำนวนน้อยนิดดังกล่าวมีอยู่มากมายในสิ่งแวดล้อม: ในการสั่นสะเทือน การไล่ระดับอุณหภูมิ แสงแดด และอื่นๆ

ความท้าทายคือการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

สิ่งแรกที่ต้องจำไว้คือไม่มีวิธีแก้ปัญหาอเนกประสงค์ Steve Arms ผู้ก่อตั้งและประธานของ MicroStrain ผู้ผลิตเซ็นเซอร์ที่ใช้ MEMS ใน Williston, Vt กล่าว “ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือการเข้าใจสภาพแวดล้อมของคุณจริงๆ กำลังทำงานและดูว่ามีพลังงานอะไรบ้าง”

ยกตัวอย่างพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นที่ทราบกันดีว่าแปรปรวนและคาดเดาไม่ได้ ต้องขอบคุณเมฆและวัฏจักรของกลางวันและกลางคืน และเห็นได้ชัดว่าไม่เหมาะกับเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งในอาคารหรือฝังในร่างกายของบุคคล แต่เซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กอาจเป็นเพียงสิ่งสำหรับเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อมที่ได้รับแสงแดดจ้าเป็นประจำ

พิจารณาพลังงานความร้อน วิธีเดียวที่จะสกัดได้คือเมื่อความร้อนไหลจากวัสดุที่ร้อนไปสู่ความเย็น อุณหภูมิแวดล้อมแทบไม่แตกต่างกันมากพอในแต่ละจุดที่จะทำให้ข้อเสนอนั้นชนะ แต่อีกครั้ง การสกัดด้วยพลังงานความร้อนอาจมีประโยชน์สำหรับการใช้งานบางประเภท

บริษัท Wireless Industrial Technologies ในโอกแลนด์ แคลิฟอร์เนีย ซึ่งก่อตั้งโดยไรท์ ใช้อุปกรณ์กำจัดพลังงานที่ใช้ประโยชน์จากเอฟเฟ็กต์ Seebeck ซึ่งโลหะบางชนิดจะสร้างแรงดันไฟฟ้าเมื่อปลายด้านหนึ่งร้อนกว่าอีกด้านหนึ่ง “เราได้ติดตั้งอุปกรณ์ในโรงงานถลุงอะลูมิเนียม ระหว่างด้านนอกของโรงถลุงกับครีบระบายความร้อน เราสามารถได้รับความแตกต่าง 50 ° C” ไรท์กล่าว นั่นก็เพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบพารามิเตอร์การทำงานของโรงงานจำนวนมาก

จากนั้นมีการสั่นสะเทือนซึ่งค่อนข้างแปรปรวน แต่มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง “คุณต้องฉลาดเล็กน้อยเกี่ยวกับตำแหน่งที่คุณวางเซ็นเซอร์” ไรท์กล่าว “แต่ ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณเดินผ่านอาคารพาณิชย์ คุณจะพบว่ากระจกบานใหญ่สั่นมากเพราะมีรถประจำทางและรถบรรทุกวิ่งผ่าน คุณยังได้รับแรงสั่นสะเทือนมากมายจากท่อปรับอากาศ พื้นยกสูง และรอบ ๆ ประตูบานใหญ่”

ในการตั้งค่าบางอย่าง Arms สังเกตว่าการสั่นสะเทือนนั้นรุนแรงแน่นอน ปัจจุบันเขาและเพื่อนร่วมงานกำลังทำงานร่วมกับ Bell Helicopter แห่งเมืองฟอร์ตเวิร์ธ รัฐเท็กซัส ในโครงการสำหรับกองทัพเรือสหรัฐฯ

แนะนำ : ข่าวดารา | กัญชา | เกมส์มือถือ | เกมส์ฟีฟาย | สัตว์เลี้ยง