Tìm kiếm nguồn năng lượng vĩnh cửu cho các thiết bị IoT – có thể hay không thể?

Việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị Internet of Things (IoT) từ xa như cảm biến không thể kết nối với nguồn điện bên ngoài là một trong những thách thức lớn của công nghệ IoT: bạn sẽ không muốn thay pin trên thiết bị cảm biến tại đỗ xe mà được lắp đặt dưới lớp đá nhựa hoặc trong đồng hồ nước hàng năm.

Rất may là điều này sẽ không cần thiết nữa. Một trong những tuyên bố cho tất cả các mạng vô tuyến diện rộng được cung cấp năng lượng thấp như LoRaWAN, Sigfox và NB-IoT là chúng được cung cấp đủ nhu cầu về năng lượng để liên lạc vô tuyến mà các thiết bị sử dụng để có thể hoạt động tốt trong liên tục mười năm hoặc lâu hơn cả Pin AA.

Nhưng điều đó vẫn chưa đủ tốt đối với một số người. Đặc biệt, nếu bạn đang phải đặt thiết bị gì đó vào trong cơ thể của mình, bạn sẽ không muốn mỗi lần thay pin lại phải mổ hay phẫu thuật: dù là mười năm một lần. Vì vậy, có một số công ty đang phát triển các công nghệ mà theo họ, sẽ giữ cho một thiết bị IoT hoạt động vô thời hạn.

Một trong những điều dễ hiểu nhất và hợp lý nhất là khai thác năng lượng tần số vô tuyến (RF) xung quanh chúng ta: phát thanh và truyền hình, WiFi, thông tin di động di động và thậm chí các mạng IoT khác như LoRaWAN và Sigfox.

Một số khả năng khác được đưa ra nhưng nó chỉ có thể thực sự được hiểu bởi một tiến sĩ vật lý, vì nó dường như vi phạm các định luật vật lý, nhưng tôi sẽ cố gắng cung cấp cho bạn một số hiểu biết về chúng.

Hãy bắt đầu với cách dễ hiểu nhất: tìm kiếm năng lượng RF. Những sản phẩm như vậy đã có sẵn. Ví dụ, Freevolt tuyên bố có công nghệ khai thác năng lượng RF từ các mạng không dây và phát sóng như 2G, 3G, 4G, WiFi và TV kỹ thuật số.

Evercell: Năng lượng từ không khí loãng?

Thú vị và kỳ lạ hơn nhiều, là Evercell. Theo các nhà phát triển của nó, nó sẽ là một thiết bị có kích thước như một chiếc tem bưu chính và sẽ có ba biến thể sản xuất lần lượt là 4,32 microwatts, 400 nanowatts và 800 nanowatt và điện năng ở mức 1,2 volt.

Tuy không nhiều năng lượng được cấp, nhưng bạn có thể xâu chuỗi rất nhiều lại với nhau theo chuỗi và đặt song song để tạo ra năng lượng điện có thể sử dụng. Và sức mạnh đó đến từ đâu? Chà, nó ở xung quanh chúng ta. Ở bất kỳ nhiệt độ nào trên độ không tuyệt đối, tất cả vật chất đều chuyển động và càng nóng thì chuyển động càng trở nên mạnh mẽ hơn.

Evercell tuyên bố có thể khai thác năng lượng đó và chuyển đổi nó thành điện năng. Trên lý thuyết, nó sẽ gần như làm cho thiết bị trở thành một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn: bạn có thể sử dụng nó để hút năng lượng từ môi trường và cung cấp năng lượng đó cho động cơ cho đến Ngày tận thế, hay chính xác hơn là cho đến khi Vũ trụ diệt vong và không còn năng lượng trong môi trường.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học, như đã nêu trong vật lý cổ điển thì ít nhất, cho bạn biết rằng điều đó có thể làm được. Chúng ta đang đối mặt với khả năng này trong chính căn nhà của chúng ta: đó là tủ lạnh của bạn trích xuất năng lượng của nó bằng cách làm mát chúng nhưng nó lại tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với việc chiết xuất năng lượng để đạt được sự làm mát đó.

Evercell tuyên bố thiết bị của mình hoạt động bằng cách thực hiện một ý tưởng chỉ đưa ra như một thí nghiệm được nảy sinh bởi nhà vật lý tiên phong James Clark Maxwell, được biết đến với cái tên Maxwell Demon.

Maxwell Demon đã có thể tách các hạt chuyển động nhanh hơn khỏi các hạt chậm hơn, do đó trích xuất dưới dạng các hạt di động nhanh hơn này. Nhưng đó chỉ là một thử nghiệm mô phỏng, chưa có hy vọng rằng khả năng như vậy có thể được thực hiện.

Về cơ bản, Evercell tuyên bố đã phát triển công nghệ bắt chước hành động của Maxwell Demon, bằng cách đặt nó vào môi trường dưới dạng một loại màng bán thấm chỉ cho phép các hạt nhanh hơn đi qua.

Điều thú vị là các nghiên cứu gần đây cho thấy định luật nhiệt động lực học thứ hai có thể cần một số sửa đổi và một thiết bị như vậy về mặt lý thuyết là có thể.

Vì vậy, nó chỉ ra là Evercell là có thật và sẽ có sẵn để mua một ngày nào đó không xa.

Năng lượng sóng, Phong cách graphene

Kỳ lạ hơn là graphene được coi như một nguồn năng lượng. Bản thân graphene đã đủ kỳ lạ: một lớp carbon dày dạng nguyên tử với một số tính chất thực sự tuyệt vời.

Theo bài báo tháng 8 năm 2018 từ Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF), một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Arkansas đã tìm thấy bằng chứng cho thấy graphene cũng có thể được sử dụng để cung cấp nguồn năng lượng sạch không giới hạn.

Thật ra không có gì mới trong bài viết của WEF; về cơ bản nó là một bản phát hành lại của một thông cáo báo chí từ tháng 11 năm 2017 từ Đại học Arkansas. Nghiên cứu của Paul Thibado, giáo sư vật lý tại Đại học Arkansas, cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng chuyển động hai chiều của nguyên tử có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng sạch, vô hạn.

Theo bài báo, Thibado dự đoán rằng các máy phát điện của ông có thể biến đổi môi trường của chúng ta, cho phép mọi đối tượng gửi, nhận, xử lý và lưu trữ thông tin, dù năng lượng chỉ được cung cấp bởi nhiệt độ trong phòng.

Về nguyên tắc, ít nhất công nghệ Thibado đã khá dễ hiểu. Nhóm của ông đã phát hiện ra rằng một tấm graphene luôn ở trạng thái chuyển động vi mô và ông đã thiết kế một Máy tạo năng lượng rung động để lấy năng lượng từ chuyển động này.

Một tấm graphene tích điện âm được treo lơ lửng giữa hai điện cực kim loại. Khi graphene bật lên, nó tạo ra một điện tích dương ở điện cực trên và khi nó lật xuống, nó tích điện dương ở phía dưới, tạo ra một dòng điện xoay chiều.

Các mẫu graphene có kích thước khoảng 10 nanomet/10 nanomet. Ông tuyên bố mỗi mẫu graphene thể tạo ra 10e-11 watt. Với kích thước này, 20.000 tấm có thể sẽ phù hợp.

Theo Đại học Arkansas, Thibado có kế hoạch sản xuất một máy sack năng lượng để chứng minh quan điểm của mình, đó một thiết bị có khả năng sạc tụ điện chỉ bằng nhiệt xung quanh và chuyển động của graphene trong vòng một năm.

Không có thông tin cụ thể nào đề cấp đến năng lượng được tạo ra từ tụ nói trên hoặc sẽ mất bao lâu để sạc.

Các thí nghiệm của Evercell và Thibado có một điểm chung. Đối với Công nghệ Evercell, dường như việc áp đặt trật tự lên sự chuyển động ngẫu nhiên của vật chất thông qua một loại màng có tính thấm chọn lọc, và do đó việc trích xuất năng lượng có thể sử dụng từ năng lượng có trong mọi vật chất trên độ không tuyệt đối.

Thibado dường như đã phát hiện ra một số trật tự vốn có trong chuyển động của các nguyên tử trong một tấm graphene; chúng có chuyển động sóng có thể được khai thác và chuyển đổi thành năng lượng điện.

Nếu một trong hai hoặc cả hai sự phát triển này chứng tỏ tính khả thi thì chúng sẽ có những tác động sâu rộng tới mọi ngành công nghệ.