Pin mặt trời graphene đầu tiên được sử dụng để cấp nguồn cho cảm biến nhiệt độ
bởi Đại học Arkansas
Thử nghiệm cảm biến graphene. Nguồn: Russell Cothren
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Arkansas và Đại học Michigan đã báo cáo lần đầu tiên sử dụng cảm biến nhiệt độ công suất cực thấp bằng pin mặt trời graphene. Thử nghiệm này là rào cản đầu tiên trong việc phát triển các hệ thống cảm biến tự động lấy năng lượng từ nhiều nguồn trong môi trường—năng lượng mặt trời, nhiệt, âm thanh, động học, phi tuyến tính và bức xạ môi trường.
Công trình được công bố trên tạp chí Journal of Vacuum Science and Technology B.
Mục tiêu cuối cùng là phát triển các cảm biến đa phương thức (kết hợp nhiều hơn một trong các nguồn năng lượng nêu trên) bằng cách sử dụng khả năng thu năng lượng của graphene, có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ và giúp hiện thực hóa Internet vạn vật, trong đó công nghệ thông minh được lồng ghép vào cuộc sống hàng ngày.
Ashaduzzaman, Tiến sĩ Tiến sĩ vật lý, là tác giả đầu tiên của bài báo do Đại học Alberta dẫn đầu, nhưng máy thu năng lượng graphene là đứa con tinh thần của giáo sư vật lý Paul Thibado, người đã bắt đầu nghiên cứu các đặc tính độc đáo của graphene hơn một thập kỷ trước và là tác giả liên hệ.
Thành công phụ thuộc vào việc vượt qua hai thách thức:
Giảm nhu cầu năng lượng của cảm biến xuống nanowatt, một phần tỷ watt, trái ngược với tiêu chuẩn hiện tại, được đo bằng microwatt (một phần triệu watt) và
cung cấp năng lượng cho cảm biến bằng năng lượng thu được từ môi trường địa phương.
Đáng chú ý, hệ thống này và các hệ thống dự kiến tiếp theo không bao gồm pin, vốn có tuổi thọ hạn chế, cho phép máy thu năng lượng dựa trên graphene đạt được tuổi thọ hoạt động dài - có thể lên đến hàng thập kỷ.
"Điện phải được lấy từ môi trường địa phương", Thibado giải thích, "vì vậy nó tự cung cấp năng lượng và tự động, và nó phải có tuổi thọ hoạt động cực kỳ dài để giảm đáng kể tổng chi phí sở hữu. Vì vậy, hãy cài đặt và quên nó đi."
Nhóm nghiên cứu của Đại học Arizona chủ yếu chịu trách nhiệm hoàn thành thử thách thứ hai nêu trên, trong khi nhóm nghiên cứu của Đại học Michigan, do David Blaauw, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính, dẫn đầu, chịu trách nhiệm chính cho thử thách đầu tiên. Blaauw là chuyên gia về cảm biến không dây công suất thấp và hệ thống nhúng. Ông thậm chí còn thiết kế các cảm biến siêu nhỏ có thể cấy vào cánh bướm.
Bài báo khẳng định rằng có thể tạo ra một cảm biến nhiệt độ công suất cực thấp bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời dựa trên graphene.
"Chúng tôi nghĩ rằng nếu có thể loại bỏ bộ phận quản lý năng lượng, có lẽ hệ thống cảm biến này sẽ tiêu thụ ít điện năng hơn nữa", Ashaduzzaman giải thích. "Và đó là những gì chúng tôi đã làm. Sau đó, chúng tôi kết nối ba bộ pin mặt trời để cấp nguồn trực tiếp cho hệ thống nhiệt độ bằng ba tụ điện lưu trữ."
Thibado nói thêm: "Chúng tôi dự kiến sẽ chế tạo các thiết bị thu thập nhiều nguồn năng lượng bên trong thiết bị đó."
Bằng cách biến chúng thành "đa phương thức", tình trạng thiếu hụt năng lượng mặt trời không liên tục có thể được bổ sung bằng nguồn nhiệt hoặc nguồn phi tuyến tính, bất kể trường hợp nào.
Thibado dự đoán các cảm biến sẽ được sử dụng trong các lĩnh vực và cánh đồng mà cảm biến sẽ hữu ích, nhưng nhu cầu thay thế pin sẽ khiến chúng tốn kém về nhân công và chi phí. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng trong các lĩnh vực như giám sát khí hậu nông nghiệp, theo dõi vật nuôi, theo dõi sức khỏe đeo trên người, hệ thống báo động tòa nhà, bảo trì dự đoán và nhiều ứng dụng khác.
Bản tóm tắt của bài báo mô tả công trình bằng ngôn ngữ dễ hiểu, nêu rằng các nhà nghiên cứu "đã chế tạo hàng chục pin mặt trời dựa trên graphene, liên kết chúng thành các gói tiêu chuẩn và mô tả đặc tính dòng điện-điện áp của từng pin dưới ánh sáng. Tiếp theo, các pin mặt trời được kết nối nối tiếp để tăng điện áp đầu ra. Ba bộ pin mặt trời khác nhau đã được sử dụng để sạc ba tụ điện lưu trữ đến mức điện áp yêu cầu của cảm biến nhiệt độ.
"Các tụ điện lưu trữ chỉ cần vài phút để sạc, nhưng có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống cảm biến trong hơn 24 giờ mà không cần sạc lại. Việc sử dụng tụ điện lưu trữ cũng loại bỏ nhu cầu về chip quản lý năng lượng thông thường và pin sạc thường được sử dụng. Nhờ đó, người ta có thể giảm tổng lượng điện năng tiêu thụ của hệ thống cảm biến và kéo dài đáng kể tuổi thọ hữu ích của nó", bản tóm tắt cho biết.
Các đồng tác giả từ Đại học Arizona còn có Syed M. Rahman, Md R. Kabir và James M. Magnum, tất cả đều là nghiên cứu sinh tiến sĩ. Các đồng tác giả từ Đại học Michigan còn có Hung Do và Gordon Carichner, ngoài Blaauw.
Ashaduzzaman cho biết ông đã nghiên cứu cảm biến nhiệt độ được khoảng một năm rưỡi. Ông cho biết bước tiếp theo là hoàn thiện một máy thu năng lượng động học có thể thu năng lượng từ các đặc tính rung động độc đáo của graphene. Khả năng này sau đó sẽ được kết hợp với cảm biến năng lượng mặt trời, tạo ra một cảm biến đa phương thức. Ít nhất, đó là kế hoạch.
Thông tin thêm: Ashaduzzaman và cộng sự, Mảng pin mặt trời mini-graphene-silicon sạc lại các tụ điện lưu trữ, cấp nguồn cho cảm biến nhiệt độ, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Chân không
Khoa học thần kinh B (2025). DOI: 10.1116/6.0004618
Được cung cấp bởi Đại học Arkansas
