Nuolatinis keitimas ar įkrovimas – nepigus ir varginantis, o utilizavimas – opi aplinkosauginė problema, šiuos elementus galinčių pakeisti naujos kartos miniatiūrinių energijos šaltinių kūrimas tik pradeda įsibėgėti.
Remdamiesi sukaupta makro- ir mikro-dinaminių sistemų kūrimo patirtimi, šios užduoties ėmėsi Kauno technologijos universiteto Mechatronikos instituto mokslininkai.
Alternatyvūs elektros energijos šaltiniai kuriant ilgaamžius bevielius sensorinius tinklus – būtini.
Šie tinklai sudaromi iš daugelio tarpusavyje komunikuojančių mikroelektromechaninių sistemų jutiklių, kurie, registruodami aplinkos savybių (temperatūros, slėgio ir t.t.) pokyčius, vykdo nuolatinę biologinių ar techninių sistemų būklės stebėseną.
2012 – 2014 m. įgyvendinant profesoriaus Vytauto Ostaševičiaus vadovaujamą Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą projektą „Netradicinio energijos šaltinio autonominėms mikromechatroninėms sistemoms sukūrimas ir tyrimas“ buvo realizuoti keliskart efektyvesni, nei iki šiol žinoma, adaptyvūs elektros energijos šaltiniai, vadinamieji vibraciniai generatoriai, kurie veikia „energijos surinkimo“ (angl. energy harvesting) principu.
Mikroelektromechaninės sistemos arba mikrosistemos – kas tai?
Rašalinių spausdintuvų purkštukai, projektorių vaizdo matricos veidrodėliai, inerciniai ir slėgio jutikliai automobiliuose, išmaniuose telefonuose plačiai diegiami miniatiūriniai mikrofonai, giroskopai, akcelerometrai, barometrai, pulsometrai, pirštų atspaudų, drėgmės ar temperatūros jutikliai – tai mikroelektromechaninės sistemos, kurias nūdien lydi didžiausia komercinė sėkmė.
Pasak vieno iš projekto vykdytojų, KTU Mechatronikos instituto Dinamikos laboratorijos vadovo dr. Rolano Daukševičiaus, mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) – tai miniatiūrinės integruotosios sistemos, kurias sudaro mikrometrinių matmenų mechaninės konstrukcijos. MEMS, dar vadinamos mikrosistemomis, gaminamos taikant modifikuotus integrinių schemų grupinio mikroapdirbimo procesus; tokių sistemų matmenys paprastai neviršija 1 mm. Be mikromechaninių konstrukcijų – membranų, sijų ar plokštelių – mikrosistemas dažnai sudaro elektronines, optines, termines ir kitas funkcijas atliekantys elementai, kurie komponuojami tame pačiame luste.
Svarbu akcentuoti, kad mikrosistemų funkcionavimą iš esmės lemia skirtingų fizikinių procesų dinaminė tarpusavio sąveika. Projekto vykdytojai kartu su KTU Mechanikos inžinerijos ir dizaino fakulteto mokslininkais tyrimus šioje srityje prieš pusantro dešimtmečio pradėjo vieni pirmųjų Lietuvoje. Per šį laikotarpį buvo apginta keliolika disertacijų, paskelbta apie pusšimtis publikacijų pripažintuose mokslo leidiniuose, iš jų - ir 2011 m. užsienyje išleista monografija „Microsystems Dynamics“.
„Mikrosistemos – viena iš sparčiausiai besivystančių aukštųjų technologijų. Dėl ekonomiškos gamybos ši technologija leidžia realizuoti nebrangius miniatiūrinius vykdiklius ar jutiklius, pasižyminčius itin mažomis energijos sąnaudomis, unikaliomis funkcinėmis galimybėmis bei aukštais techniniais rodikliais, tokiais kaip išskirtinai didelė greitaveika, skyra ar jautris“, – teigė tyrėjas.
Kas trukdo spartesnei bevielių sensorinių tinklų plėtrai?
Šiuo metu nešiojamų ir dėvimų išmaniųjų įrenginių pasiūla sparčiai gausėja, aplinkos stebėsenai skirtų bevielių sensorinių tinklų (BST) diegimas – intensyvėja. Šie tinklai – viena perspektyviausių mikrosistemų taikymo sričių, vis labiau įsiliejančių į gamybos, transporto, saugumo, sveikatos, žemės ūkio, aplinkosaugos ir kitas sferas. BST susideda iš daugelio baterijomis maitinamų jutiklių, vadinamų mazgais, kurie paskirstomi įvairiose terpėse – statiniuose, įrenginiuose, dirvoje ir t.t., kuriuose techninės diagnostikos tikslais realiu laiku atlieka įvairių fizikinių dydžių matavimus.
„Projekte nagrinėjama problema – vibracinių generatorių efektyvumo didinimas – itin aktuali, nes platesniam bevielių sensorinių tinklų diegimui dažnai kelią užkerta nepakankamas šių tinklų rentabilumas, susijęs su sąlyginai nedidele jų eksploatavimo trukme, kurią nulemia vis dar menkas šiuolaikinių elektrocheminių baterijų ilgaamžiškumas. Baterijų keitimas ar akumuliatorių įkrovimas – iš esmės neekonomiškas dėl sensorinių mazgų gausos ir neretai komplikuotos prieigos“, – sakė R. Daukševičius.
XXI a. šią problemą pradėta spręsti kuriant ir diegiant savaime pasikraunančius hibridinius elektros energijos šaltinius. Paprastai juos sudaro akumuliatorių ar superkondensatorių masyvas bei nuolat jį kraunantis miniatiūrinis energijos generatorius. Pastarasis veikia kaip energijos rinkiklis, kuris aplinkoje laisvai prieinamą kinetinę energiją, pavyzdžiui, statinių ar įrenginių skleidžiamus virpesius, elektromechaninio keitiklio pagalba paverčia į elektros energiją. Itin perspektyvūs – vibraciniai generatoriai su įterptomis sumaniosiomis medžiagomis, tokiomis kaip keraminiai, polimeriniai ar kompozitiniai pjezoelektrikai.
„Vertinant platesniu kontekstu, miniatiūriniai vibraciniai generatoriai yra būtini kuriant energetiškai efektyvesnes naujos kartos autonomines mikrosistemas, kurios įgalintų sėkmingesnę daiktų interneto ir kitų XX-XXI amžių sandūroje prasidėjusios išmaniosios eros technologijų plėtotę. Autonominės mikro- bei nano-sistemos ateityje teiks neabejotiną socialinę naudą, padėdamos kurti saugesnę ir sveikesnę visuomenę“, – įsitikinęs R. Daukševičius.
Projekto rezultatai laukia patentų
Projekto metu buvo sukurtos adaptyvios žemadažnių ir aukštadažnių vibracinių generatorių konstrukcijos, sudaryti ir ištirti jų matematiniai modeliai, pagaminti maketai bei atlikti jų funkcionalumo bandymai. Laboratoriniais tyrimais buvo patvirtintas pasiūlytų konstrukcinių sprendimų efektyvumas esant nepastovaus dažnio dinaminio žadinimo sąlygoms, kurios būdingos daugeliui virpesius skleidžiančių objektų.
„Vykdant projektą buvo atskleisti iki šiol netirti netiesinės mechanikos efektai, kurie, panaudojant aukštesniųjų virpesių formų teikiamus pranašumus, leido sukurti 2-3 kartus efektyvesnius, nei iki šiol žinomi, vibracinius generatorius. Projekto rezultatų pagrindu buvo parengtos dvi paraiškos LR patentams gauti. Sukurtų adaptyvių generatorių praktinio pritaikymo klausimus planuojama spręsti ateityje kartu su Lietuvos bei užsienio partneriais vykdant bendrus mokslo projektus“, – apibendrino tyrėjas.
Visgi, pasak R. Daukševičiaus, šiandien dar nerealu tikėtis, kad „energijos surinkimo“ pagrindu veikiantys vibraciniai generatoriai galėtų išstumti mums įprastas baterijas ir akumuliatorius, ypač – masinio vartojimo elektronikos prietaisų rinkos segmentuose, kurie yra jautrūs kainos augimui. Ko gero, toliau bus siekiama sinergiškai kombinuoti abi technologijas, kad kuo ženkliau pailgėtų įvairių išmaniųjų prietaisų ir bevielių sensorinių mazgų tarnavimo laikas. Tyrėjo teigimu, sąlyginai brangius vibracinius generatorius kol kas racionalu diegti tik aukštos pridėtinės vertės ar specifinės paskirties techninėse sistemose, kuriose baterijų naudojimas ar elektros tiekimas laidais yra nepriimtinas sprendimas – pavyzdžiui, implantuojamuose medicinos prietaisuose ar automobilio padangos viduje montuojamoje slėgio kontrolės sistemoje.
Projektas paskatino tarptautinį bendradarbiavimą
Projekto vykdymo laikotarpiu buvo pradėtas sėkmingas bendradarbiavimas su vienu pirmaujančių technologinių universitetų Europoje – Lozanos federaliniu technologijų institutu (EPFL). Kartu su Šveicarijos partneriais KTU Mechatronikos instituto mokslininkai tyrimų rezultatus pristatė svarbiausiose šios srities tarptautinėse konferencijose bei publikavo stambiausių užsienio leidyklų žurnaluose. Be to, tarptautinis autorių kolektyvas šiuo metu spaudai rengia su projekto tematika tiesiogiai susijusią knygą „Material-Integrated Intelligent Systems“.
Vibracinių generatorių srityje KTU Mechatronikos institutas pradėjo darbuotis palyginti neseniai – prieš 7 metus. Darbo rezultatai jau sudomino didžiausius mokslinių tyrimų institutus, tokius kaip CEA Leti (Prancūzija), Fraunhofer (Vokietija) bei TNI (Airija). Kartu su šių institutų mokslininkais ir biometrinių apsaugos sistemų gamybos lydere pasaulyje – bendrove „Safran Identity & Security“ – nuo 2013 m. vykdomas Europos Komisijos finansuojamas 7BP projektas „PiezoMAT“, kuriame siekiama energijos generavimui panaudoti nanoskopinius pjezoelektrinius keitiklius ir jų pagrindu realizuoti itin kompaktišką ultraprecizinį pirštų atspaudų MEMS jutiklį.