Ενέργεια από αέρα… κοπανιστό!

Ενέργεια από αέρα… κοπανιστό!

Συλλέκτες ακτινοβολίας «τυπώνουν» οι ερευνητές και οραματίζονται πλήθος εφαρμογών

Σκεφτείτε να είχαμε τη δυνατότητα να «καθαρίζουμε» το ηλεκτρομαγνητικό νέφος που βαραίνει το περιβάλλον του σπιτιού, του γραφείου, του σχολείου και μαζί και την υγεία μας. Σκεφτείτε να μπορούσαμε να φυλακίσουμε την ισχύ της ακτινοβολίας που δεχόμαστε από την τηλεόραση, το ραδιόφωνο, το κινητό τηλέφωνο ή το ασύρματο δίκτυο Wi-Fi και στη συνέχεια να τη χρησιμοποιήσουμε για να φορτίσουμε άλλες μικροσυσκευές. Αν τα παραπάνω σάς ακούγονται σαν σενάρια επιστημονικής φαντασίας, μάθετε ότι πρόκειται για μια υπαρκτή τεχνολογία μηδαμινού κόστους, η οποία μάλιστα φέρει ελληνική υπογραφή.

Η καινοτόμος επινόηση αφορά την εκτύπωση ηλεκτρονικών διατάξεων υπερευαίσθητων μικροαισθητήρων σε φωτογραφικό χαρτί ή σε εύκαμπτες επιφάνειες, ικανών να απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αιωρείται στον χώρο και προκύπτει από διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές που μας περιβάλλουν. Επικεφαλής της ενδιαφέρουσας ερευνητικής προσπάθειας είναι ο δρ Μάνος Τεντζέρης, καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πολυτεχνείο της Τζόρτζια (Georgia Tech), στις ΗΠΑ, ο οποίος μίλησε στο «Βήμα» για το πώς ξεκίνησε η όλη ιδέα αλλά και το πού θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε λίγα χρόνια από σήμερα.

«Σκούπα» ηλεκτρομαγνητικού νέφους

«Ολα άρχισαν πριν από περίπου πέντε χρόνια» μας λέει ο ειδικός. «Προβληματισμένοι από την υπερέκθεσή μας σε υψηλά επίπεδα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, σκεφτήκαμε αν θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια ηλεκτρική “σκούπα” που να συσσωρεύει την ισχύ της διαχέουσας αυτής ενέργειας υπό μορφήν συχνοτήτων και στη συνέχεια να την επαναχρησιμοποιούμε. Να κάνουμε δηλαδή ανακύκλωση της ενέργειας».

Στην πράξη όμως τα πράγματα δεν ήταν τόσο ρόδινα, καθώς οι ερευνητές συνάντησαν αρκετά πρακτικά εμπόδια.

«Οι βασικές δυσκολίες που συναντήσαμε στην αρχή αφορούσαν το είδος των μικροσυσκευών που θα μπορούσαν να κάνουν κάτι τέτοιο. Αυτές λειτουργούν με μπαταρίες που έχουν διάρκεια ζωής από τρεις μήνες ως έναν χρόνο, πράγμα αδύνατον να χειριστείς όταν έχεις εγκατεστημένους εκατομμύρια τέτοιους αισθητήρες. Επιπλέον, υπήρχε το θέμα του υπερβολικά υψηλού κόστους που θα ήταν απαγορευτικό για τον καταναλωτή. Ολα λοιπόν έδειχναν ότι μια τέτοια προσπάθεια ήταν μάλλον αδύνατη. Ξεκινήσαμε παρ’ όλα αυτά με την εκτύπωση ηλεκτρονικών διατάξεων σε χαρτί με τη βοήθεια εκτυπωτών υλικού, που δεν αποτελούν πανάκριβες συσκευές, καθώς η τιμή τους κυμαίνεται μεταξύ 10.000 και 12.000 ευρώ. Στην πορεία περάσαμε στο πλαστικό, για χαμηλές συχνότητες με ραδιοφωνικές εκπομπές».

«Φυλακίζοντας» τις συχνότητες

Ο δρ Τεντζέρης κρατά, αριστερά, έναν εύκαμπτο αισθητήρα και, δεξιά, μια σπιράλ υπερευρυζωνική κεραία. Και τα δύο είναι εκτυπωμένα σε φωτογραφικό χαρτί με τη βοήθεια ειδικού εκτυπωτή υλικού

Επειτα από αρκετούς πειραματισμούς οι ειδικοί κατάφεραν να δημιουργήσουν έξυπνους μικροαισθητήρες υπερευαίσθητους στις συχνότητες του ηλεκτρικού πεδίου ενός ασύρματου σήματος, οι οποίοι μπορούσαν να εκτυπωθούν εύκολα και γρήγορα σε εύκαμπτες επιφάνειες και να φυλακίζουν από συχνότητες ραδιοφωνικών εκπομπών ως και συχνότητες ραντάρ. Ενα φάσμα συχνοτήτων, δηλαδή, που ξεκινούσε από τα 100 MHz και έφθανε ως τα 15 GHz.

«Στους εσωτερικούς χώρους υπάρχει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία από διαφορετικές πηγές, από ραδιόφωνο, τηλεόραση, συσκευές κινητής τηλεφωνίας, ασύρματα δίκτυα Wi-Fi. Μέχρι πρότινoς κανείς δεν είχε καταφέρει να συσσωρεύσει και να παραγάγει αρκετή ισχύ, για τον λόγο ότι σε κάποιες συχνότητες η ισχύς είναι πολύ χαμηλή. Εμείς καταφέραμε να καλύψουμε ένα πολύ μεγάλο φάσμα συχνοτήτων, με αποτέλεσμα να είμαστε σε θέση να αποθηκεύουμε ισχύ από τις συχνότητες των FM ραδιοφωνικών εκπομπών ως τις συχνότητες του Wi-Fi» μας εξηγεί ο δρ Τεντζέρης. «Επιπλέον, καταφέραμε να μειώσουμε δραστικά το κόστος της συγκεκριμένης τεχνολογίας: στη θέση εξειδικευμένων υλικών και πολύ ακριβού ηλεκτρονικού εξοπλισμού, εφαρμόσαμε μια τεχνική που αναπτύξαμε στο εργαστήριό μας και αφορά την εκτύπωση έξυπνων δικτύων επάνω σε απλό φωτογραφικό χαρτί ή απλό πλαστικό».

«Η διαδικασία της εκτύπωσης αποτελείται από διαφορετικά κομμάτια. Ξεκινάμε από την κεραία η οποία λαμβάνει ευρυζωνικό σήμα (broadband), στη συνέχεια περνάμε σε κάποιους αισθητήρες – οι οποίοι μπορεί να είναι αισθητήρες θερμοκρασίας, υγρασίας, αμμωνίας, διαρροής αερίων, ή οποιουδήποτε άλλου είδους – και έπειτα στο πλέγμα επάνω στο οποίο δένουμε τις ηλεκτρονικές διατάξεις. Αυτό γίνεται με εύκαμπτο τρόπο, ώστε το τελικό αποτέλεσμα να μπορεί να διπλωθεί γύρω από στύλους, να τοποθετηθεί σε τοίχους, ή ακόμη και να φορεθεί» περιγράφει ο επιστήμονας.

Βραχιόλι στο νοσοκομείο

Οι εφαρμογές της έξυπνης τεχνολογίας, κατά τον δρα Τεντζέρη, είναι απεριόριστες και μπορούν να καλύψουν αποτελεσματικά διάφορους τομείς της ζωής μας, ξεκινώντας από το νοσοκομείο και φθάνοντας ως και το… ψυγείο.

«Μια από τις εφαρμογές που είχαμε σκεφτεί είναι στο νοσοκομείο, όπου οι ασθενείς υποβάλλονται σε συχνές μετρήσεις της αρτηριακής πίεσης, ή σε κάποιο καρδιογράφημα που απαιτεί πολλά καλώδια. Η ιδέα μας λοιπόν έχει να κάνει με την αποκλειστική χρήση της ενέργειας που βρίσκεται εντός του χώρου του νοσοκομείου – δηλαδή κάποια μαγνητική ενέργεια. Ενα απλό βραχιόλι επάνω στο οποίο θα είναι εκτυπωμένοι οι έξυπνοι αισθητήρες θα λαμβάνει τα βιολογικά στοιχεία του ασθενούς και στη συνέχεια θα τα μεταδίδει σε κάποια βάση δεδομένων. Με τον τρόπο αυτόν θα πραγματοποιείται δηλαδή μια βιοεπισκόπηση άνευ καλωδίων και με μηδενική ενεργειακή κατανάλωση» μας λέει.

Η επιλογή μιας συγκεκριμένης ώρας λειτουργίας του τεχνολογικά προηγμένου βραχιολιού μπορεί εύκολα να ρυθμιστεί μέσω επιλεκτικής μεταφοράς ισχύος. «Καμία από τις διατάξεις μας δεν διαθέτει μπαταρία, γεγονός που σημαίνει ότι λειτουργούν ανάλογα με την ενέργεια που υπάρχει στο περιβάλλον. Η λογική είναι να συσσωρεύουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε κάποιον πυκνωτή και, όταν εκείνη φθάσει σε επίπεδο εκπομπής, η ενέργεια αυτή να εκφορτίζεται και να στέλνεται το σήμα. Σε περίπτωση λοιπόν που θα θέλαμε να πραγματοποιήσουμε τη βιοεπισκόπηση κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή με μεγαλύτερη ακρίβεια, θα μπορούσαμε επιλεκτικά μέσω μιας κεραίας – σε ένα κρεβάτι ή σε μια καρέκλα – να ενεργοποιήσουμε τον αισθητήρα» επισημαίνει ο καθηγητής.

Ελεγχος κατασκευών

Τα εκτυπωμένα έξυπνα δίκτυα θα μπορούσαν ακόμη να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της δομής κάποιων μεγάλων κατασκευών, μέσω της ενσωμάτωσής τους στους τοίχους κτιρίων που βρίσκονται σε σεισμογενείς περιοχές για τον έλεγχο της ασφάλειάς τους ή εργοστασίων για τον έλεγχο τυχόν διαρροών. Σε ρόλο θερμοστάτη πάλι, τα συστήματα «χάρτινων» αισθητήρων θα μπορούσαν να βοηθήσουν για την εξοικονόμηση ενέργειας.

«Πολλές φορές όταν λειτουργεί το κλιματιστικό ή το καλοριφέρ υπάρχει μια τοπική ενίσχυση των θερμοκρασιών γύρω από αυτά, με αποτέλεσμα η διάχυση της θερμότητας ή της ψύξης να μην είναι ομοιόμορφη. Κάτι τέτοιο μπορεί να αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας κατά 30%-80%. Με την τοποθέτηση των ειδικών κυκλωματικών διατάξεων, π.χ. επάνω από το κλιματιστικό ή σε διάφορα σημεία του δωματίου, μπορούμε να επιτύχουμε την εξυπνότερη ενεργειακή κάλυψη του νοικοκυριού» επισημαίνει.

Συντήρηση τροφίμων

«Αλλη μία πρακτική εφαρμογή των έξυπνων αισθητήρων θα μπορούσε να αφορά τον έλεγχο της ποιότητας ευαίσθητων τροφίμων, όπως τα γαλακτοκομικά προϊόντα, τα φρούτα και τα λαχανικά» προσθέτει ο δρ Τεντζέρης. «Μέσω της μεθόδου αυτής, εκτυπώνοντας κάποιον αυτόνομο αισθητήρα επάνω στην πλαστική συσκευασία ή στο πακέτο του τροφίμου και χρησιμοποιώντας την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που υπάρχει στο περιβάλλον, μπορούμε να απελευθερώνουμε μικρές ποσότητες αμμωνίας – που παράγεται φυσικά από το τρόφιμο – για τη μεγαλύτερη διατήρησή του ή να ελέγχουμε την κατάστασή του. Θα μπορούσε ακόμη στα ψυγεία των σουπερμάρκετ ή στα οικιακά ψυγεία να τοποθετηθεί ένας γενικός αισθητήρας ο οποίος να ελέγχει τα τρόφιμα».

«Η όλη λογική καταλήγει στα έξυπνα κινητά. Προσθέτοντας κάποιο ID επάνω σε συγκεκριμένους σένσορες, το smartphone θα μας ειδοποιεί ότι το προϊόν νούμερο 14 και το προϊόν νούμερο 35 που βρίσκονται στο τρίτο ράφι αριστερά παρουσιάζουν προβλήματα. Θα προσφέρει δηλαδή μια ζωντανή ενημέρωση μέσω έξυπνου κινητού για το τι συμβαίνει ή πού υπάρχει διαρροή. Μια τέτοια τεχνολογία δηλαδή θα μπορούσε να καλύψει ολόκληρη τη γραμμή παραγωγής και διάθεσης των προϊόντων στην αγορά, ξεκινώντας από τον παραγωγό και φθάνοντας ως και τον καταναλωτή».

Από τη στιγμή που η εκτύπωση γίνεται και σε πλαστικό, κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να γίνει και στην περίπτωση των αναψυκτικών ή άλλων ποτών που συσκευάζονται σε πλαστικά μπουκάλια. «Σκεφτήκαμε ότι από τη στιγμή που πρέπει να ελέγχονται οι θερμοκρασίες και οι γενικές συνθήκες αποθήκευσης των αναψυκτικών, κάτι τέτοιο θα μπορούσε να προσφέρει σημαντική βοήθεια, οδηγώντας παράλληλα στη σωστότερη διαχείριση των εμπορευμάτων» αναφέρει ο έλληνας καθηγητής.

Παρακολούθηση ηλικιωμένων

Η εξ αποστάσεως παρακολούθηση ασθενών ή ηλικιωμένων είναι άλλη μία εφαρμογή η οποία θα μπορούσε να λύσει οικονομικά το πρόβλημα των ατόμων μεγαλύτερης ηλικίας που ζουν μόνα ή σε απομονωμένες περιοχές. «Σε αρκετά μέρη του κόσμου υπάρχει σοβαρό πρόβλημα ως προς την αποτελεσματική παρακολούθηση ηλικιωμένων ατόμων. Ο μέσος όρος της ηλικίας συνεχώς αυξάνεται και είναι σχεδόν αδύνατον ο ηλικιωμένος να επισκέπτεται το νοσοκομείο συνεχώς. Σκεφτήκαμε λοιπόν ότι το σύστημα αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση απαραίτητων μετρήσεων βασικών βιολογικών δεικτών μέσω ενός έξυπνου βραχιολιού από εύκαμπτο υλικό, το οποίο θα φοριέται για την εύκολη και διαρκή παρακολούθηση του ηλικιωμένου» λέει ο ειδικός.
ΤΟΥΣ ΦΟΡΑΣ, ΠΕΡΠΑΤΑΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΕΙΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ο υποψήφιος διδάκτωρ Βασίλης Λακαφώσης κρατά ένα αθλητικό παπούτσι που στο σημείο του λογότυπου φέρει μια «χάρτινη» κεραία και χρησιμοποιεί την ενέργεια από το βάδισμα

Στο πλαίσιο της ενδιαφέρουσας μελέτης, οι ειδικοί ενσωμάτωσαν έναν έξυπνο αισθητήρα σε ένα παπούτσι και στη συνέχεια προσπάθησαν να συλλέξουν την ενέργεια που προκύπτει από τον ανθρώπινο βηματισμό και αγγίζει το ένα με δύο χιλιοστά του Watt.

«Το περπάτημα ως δραστηριότητα είναι παραπάνω από αρκετό για να τροφοδοτήσει έναν ασύρματο πομπό, ο οποίος εκπέμπει, λόγου χάρη, πληροφορίες που σχετίζονται με τον αριθμό των βημάτων, τη θερμοκρασία του σώματος ή την ταυτότητα του χρήστη» μας πληροφορεί ο υποψήφιος διδάκτωρ και μέλος της ερευνητικής ομάδας του δρος Τεντζέρη κ. Βασίλης Λακαφώσης. «Αν και η συγκεκριμένη εφαρμογή δεν είναι ακόμη πλήρως λειτουργική, παρ’ όλα αυτά ως εργαστήριο εργαζόμαστε για τη δημιουργία έξυπνων ρούχων με ενσωματωμένες κεραίες, από αγώγιμα νήματα. Η προσέγγιση που ακολουθούμε είναι αναγκαστικά πολύπλευρη, καθώς ξεκινά από την επιστήμη υλικών και φθάνει ως τις κεραίες και τα πρωτόκολλα ασύρματης δικτύωσης. Η μεγαλύτερη πρόκληση ωστόσο βρίσκεται στο γεγονός ότι “κυνηγούμε” να συλλέξουμε διαχέουσα ενέργεια με όσο το δυνατόν μικρότερες απώλειες κατά την προσπάθειά μας να τη μετατρέψουμε σε χρήσιμη ενέργεια για την τροφοδότηση συσκευών» αναφέρει ο ίδιος.

ΕΚΤΥΠΩΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΣΤΟ ΣΠΙΤΙ

Ο καθηγητής κ. Τεντζέρης δείχνει μια διάφανη κεραία μετατροπής ενέργειας εκτυπωμένη σε εύκαμπτο υλικό, που θα μπορούσε να τοποθετηθεί στα έξυπνα βραχιόλια, σε αισθητήρες εσωτερικού χώρου, αυτοκίνητα ή ακόμη και σε παράθυρα

Σε λίγα χρόνια από σήμερα, σύμφωνα με τον δρα Τεντζέρη, δεν αποκλείεται να είμαστε σε θέση να εκτυπώνουμε αισθητήρες ανάλογα με τις προσωπικές ανάγκες μας στο σπίτι μας. «Ο καταναλωτής μελλοντικά θα μπαίνει στο Google και θα λέει, π.χ., “χρειάζομαι 10 αισθητήρες τροφίμων και τρεις αισθητήρες βιοεπισκόπησης”. Θα υπάρχουν σχέδια online και ουσιαστικά θα μπορεί να αγοράζει ό,τι ακριβώς χρειάζεται: θα αγοράζει παρ’ όλα αυτά το σχέδιο και όχι τη συσκευή» μας εκπλήσσει ο έλληνας καθηγητής. «Στην παρούσα φάση προσπαθούμε να δούμε αν μπορούμε να τροποποιήσουμε κάποιους φθηνότερους εκτυπωτές ώστε να τυπώνουν το ίδιο αγώγιμο μελάνι με εκείνο των πιο εξεζητημένων μηχανημάτων, προσφέροντας ανάλογη ακρίβεια».

Η φουτουριστική τεχνολογία συνοδεύεται από αρκετά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη, ή ακόμη και οφέλη που έχουν να κάνουν με την υγεία μας. Σε ρόλο «ομπρέλας» θα μπορούσε να θωρακίσει ακόμη και ολόκληρες περιοχές από επιβλαβείς ακτινοβολίες. «Μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για την απομόνωση κάποιας περιοχής από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ωστόσο κάτι τέτοιο θα πρέπει να γίνει με προσοχή, καθώς εγείρεται και το ζήτημα του περιορισμού ακόμη και του σήματος κινητής τηλεφωνίας. Είναι σαν ένα έξυπνο “πανί” το οποίο απορροφά ό,τι πέφτει πάνω του. Ανάλογα με το πόσο “πορώδες” είναι αυτό, κάποιες ενέργειες περνούν και κάποιες άλλες όχι» συνεχίζει.

«Οταν κάποιος χρησιμοποιεί τους αισθητήρες στο σπίτι του τη στιγμή που έχει ασύρματο δίκτυο Wi-Fi, το σήμα θα είναι ελαττωμένο. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα μπορεί ο χρήστης να μπαίνει στο Διαδίκτυο. Σε κάθε σπίτι αυτή τη στιγμή υπάρχει 5-15 φορές ισχυρότερο σήμα από αυτό που απαιτείται για την πραγματοποίηση ασύρματης σύνδεσης. Oπότε, πέρα από πρακτικότητα, θα μπορούσαν να προσφέρουν και προστασία από την υπερβολική έκθεσή μας στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία».

Ωστόσο, όπως υποστηρίζει ο δρ Τεντζέρης, χρειάζεται πίστωση χρόνου προκειμένου οι εκτυπωμένοι αισθητήρες να φθάσουν σε σημείο να τροφοδοτούν ενεργοβόρες συσκευές. «Σε πρώτη φάση τροφοδοτούμε αισθητήρες, ή αισθητήρες που εξυπηρετούν για την τρισδιάστατη απεικόνιση θέσης (σε χώρο ή σε τούνελ όπου δεν υπάρχει GPS) και κάποιους μικροεπεξεργαστές χαμηλής κατανάλωσης. Κάποιους ελεγκτές για το καρδιογράφημα, για παράδειγμα, ή ελεγκτές απεικόνισης της τάσης σε κάποια γέφυρα, κάτι που να απεικονίζει ποια είναι η κατάσταση ενός τροχού του αυτοκινήτου ή ακόμη τα έξυπνα ράφια για τα τρόφιμα. Οτιδήποτε δηλαδή έχει μια μέση κατανάλωση ενέργειας σε εξωτερικό χώρο, κάτω από 25-50 Μilliwatt μέσω κυλιόμενης λειτουργίας, δηλαδή με συσσώρευση ενέργειας το 95% και λειτουργία μόλις το 5% του χρόνου» εξηγεί.

«Πιστεύω ότι μέσα στα επόμενα 3-5 χρόνια δεν θα είναι ακόμη δυνατή η φόρτιση ενός smartphone μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου. Κάτι τέτοιο πιθανόν να ήταν εφικτό σε περίπτωση που συνδυαζόταν η περιβαλλοντική ηλεκτρομαγνητική ισχύς με την ηλιακή ή την κινητική ενέργεια. Στους εσωτερικούς χώρους, όπου η ισχύς είναι πιο συγκεντρωμένη και έχει μεγαλύτερη πυκνότητα, παρ’ όλα αυτά, μπορούμε να φορτίσουμε και πιο απαιτητικές συσκευές, όπως π.χ. ένα “πρωτόγονο” κινητό τηλέφωνο» καταλήγει ο ειδικός.

tovima.gr