Cercetătorii au dezvoltat un senzor fără baterie, care măsoară temperatura folosind energia câmpurilor electromagnetice generate de cablurile electrice din apropiere. Dispozitivul utilizează un element realizat din grafen pentru a capta această energie, pe care o transformă în electricitate și o stochează în condensatoare. Tehnologia ar putea permite construirea unor rețele de senzori autonomi, capabili să monitorizeze mediul, agricultura sau echipamentele industriale timp îndelungat, fără înlocuirea periodică a bateriilor.
Într-o lume în care tot mai multe obiecte sunt conectate la internet și trebuie să colecteze permanent informații, alimentarea dispozitivelor electronice de mici dimensiuni reprezintă încă o provocare. Senzorii utilizați pentru monitorizarea temperaturii, umidității, calității aerului sau funcționării echipamentelor industriale au nevoie de energie electrică, iar bateriile trebuie înlocuite periodic sau reîncărcate.
Problema devine și mai complicată atunci când senzorii sunt instalați în locuri greu accesibile, în interiorul unor structuri, în conducte, în instalații industriale sau în zone izolate. În asemenea situații, simpla operațiune de schimbare a unei baterii poate presupune costuri și intervenții tehnice considerabile.
O soluție interesantă vine de la cercetătorii de la Universitatea din Arkansas și Universitatea din Michigan, ambele din Statele Unite, care au dezvoltat un senzor fără baterie, capabil să-și procure energia din câmpurile electromagnetice existente în mediul înconjurător.
Tehnologia se bazează pe un dispozitiv de captare a energiei realizat folosind grafenul, un material format dintr-un singur strat de atomi de carbon. Acesta poate transforma o parte din energia electromagnetică produsă de instalațiile electrice obișnuite în electricitate utilizabilă de un circuit electronic.
Studiul reprezintă un pas important către dezvoltarea unor senzori autonomi, care ar putea funcționa perioade îndelungate fără să depindă de baterii convenționale.
Cum poate un senzor să obțină energie de la cablurile electrice?
Principiul de funcționare pornește de la un fenomen fizic bine cunoscut: orice conductor prin care circulă un curent electric alternativ generează în jurul său un câmp electromagnetic. Acest fenomen este prezent în jurul cablurilor electrice din locuințe, al instalațiilor industriale și al rețelelor de distribuție a energiei. În mod obișnuit, câmpurile electromagnetice produse de aceste instalații nu sunt utilizate ca surse de alimentare pentru dispozitive electronice, deoarece energia disponibilă este relativ redusă.
Cercetătorii au găsit însă o modalitate de a valorifica această energie. Componenta centrală a sistemului este un inductor pe bază de grafen, proiectat să capteze energia câmpurilor magnetice generate de curentul alternativ. Acesta produce un semnal electric alternativ, care este transmis către un circuit electronic specializat.
Circuitul transformă semnalul alternativ în curent continuu, necesar funcționării senzorului. Energia electrică rezultată este apoi stocată în condensatoare, de unde poate fi utilizată atunci când dispozitivul are nevoie de alimentare.
Un aspect important este că sistemul nu trebuie să capteze cantități mari de energie. Senzorul a fost proiectat să funcționeze cu un consum extrem de redus, măsurat în nanowați, adică miliardimi de watt. Prin urmare, chiar dacă energia captată este mică, ea poate fi suficientă pentru un dispozitiv electronic optimizat să consume foarte puțin.
Grafenul transformă câmpurile electromagnetice în electricitate utilizabilă
Grafenul este unul dintre cele mai interesante materiale descoperite în ultimele decenii. Structura sa constă dintr-un singur strat de atomi de carbon organizați într-o rețea hexagonală, asemănătoare unui fagure de miere.
Deși are o grosime de numai un atom, materialul prezintă proprietăți electrice, mecanice și termice remarcabile. Electronii se pot deplasa prin structura sa cu o mobilitate ridicată, iar aceste caracteristici îl fac interesant pentru dezvoltarea unor componente electronice de dimensiuni foarte mici.
Grafenul, un supermaterial revoluționar
Grafenul este un material incredibil de ușor, rezistent și durabil, alcătuit dintr-un singur strat de atomi de carbon. [...]
În noul studiu, grafenul este utilizat pentru realizarea elementului inductiv care captează energia electromagnetică. Acesta face parte dintr-un sistem de recoltare a energiei, cunoscut în literatura de specialitate sub denumirea de energy harvesting.
Conceptul nu este complet nou. Cercetătorii conduși de profesorul Paul Thibado de la Universitatea din Arkansas au investigat timp de peste un deceniu proprietățile grafenului și posibilitatea utilizării sale pentru obținerea energiei.
De altfel, noul dispozitiv reprezintă al doilea senzor de temperatură dezvoltat de echipă care utilizează grafenul pentru alimentare. Într-un studiu anterior, oamenii de știință demonstraseră că celule solare pe bază de grafen puteau furniza suficientă energie pentru funcționarea unor senzori de temperatură. Noua abordare valorifică însă o altă resursă: câmpurile electromagnetice care există deja în apropierea instalațiilor electrice.
Cât timp poate funcționa senzorul fără alimentare din exterior?
Una dintre cele mai interesante caracteristici ale dispozitivului este capacitatea sa de a acumula energie pentru perioadele în care sursa electromagnetică nu mai este disponibilă. Condensatoarele utilizate în sistem au rolul unor mici rezervoare de energie electrică. Spre deosebire de baterii, care stochează energia prin reacții chimice, condensatoarele o păstrează sub forma unui câmp electric.
În cazul acestui senzor, inductorul pe bază de grafen încarcă treptat condensatoarele. Important este că energia acumulată este mai mare decât energia consumată de senzor în aceeași perioadă.
Profesorul Paul Thibado a explicat că, deși condensatoarele sunt încărcate lent, procesul are loc mai repede decât consumul energiei de către senzor. Astfel, sistemul poate menține o rezervă suficientă pentru funcționarea dispozitivului. Potrivit estimărilor cercetătorului, energia stocată ar putea permite senzorului să funcționeze cel puțin 24 de ore în cazul unei întreruperi a alimentării electrice, iar în anumite condiții autonomia ar putea ajunge până la o săptămână.
Această caracteristică este importantă deoarece dispozitivul nu depinde de prezența permanentă a unei surse de energie. El poate continua să funcționeze și atunci când câmpul electromagnetic din apropiere dispare temporar. Trebuie precizat însă că aceste durate reprezintă estimări ale cercetătorilor, nu demonstrarea unei funcționări autonome timp de săptămâni sau ani în condiții reale.
Senzori autonomi pentru agricultură, medicină și monitorizarea mediului
Deși prototipul actual a fost conceput pentru măsurarea temperaturii, principiul de funcționare ar putea fi extins la numeroase alte categorii de senzori.
În agricultură, dispozitivele autonome ar putea monitoriza temperatura și umiditatea solului, condițiile din sere sau evoluția microclimatului din diferite zone ale unei exploatații agricole. Eliminarea bateriilor ar simplifica instalarea unui număr mare de senzori și ar reduce intervențiile necesare pentru întreținerea lor.
În domeniul protecției mediului, astfel de dispozitive ar putea contribui la monitorizarea continuă a parametrilor de mediu, inclusiv în zone unde accesul oamenilor este dificil.
În medicină, tehnologia ar putea inspira dezvoltarea unor dispozitive portabile de monitorizare, iar în industrie ar putea fi utilizată pentru supravegherea temperaturii și a funcționării echipamentelor.
O altă posibilitate este integrarea senzorilor în lanțurile de aprovizionare, unde monitorizarea temperaturii este importantă pentru transportul și depozitarea produselor alimentare sau farmaceutice.
Cercetătorii urmăresc însă un obiectiv și mai ambițios. Ei vor să combine mai multe metode de captare a energiei din mediul înconjurător: lumina solară, căldura, sunetul, mișcarea și câmpurile electromagnetice.
Un senzor echipat cu mai multe asemenea sisteme ar putea utiliza sursa de energie disponibilă în fiecare moment. Dacă lumina solară lipsește, ar putea valorifica energia electromagnetică sau căldura din mediul înconjurător. O astfel de combinație ar crește autonomia dispozitivelor și ar reduce dependența lor de o singură sursă de alimentare.
De la prototipul de laborator la rețele de senzori care funcționează ani întregi
Studiul a fost publicat pe 20 octombrie 2026 în revista științifică Journal of Vacuum Science & Technology B, sub titlul „Graphene powerline energy harvester powers a batteryless sensor”.
Primul autor al lucrării este Md Rezaul Kabir, doctorand în știința și ingineria materialelor la Universitatea din Arkansas. Proiectul a implicat și cercetători de la Universitatea din Michigan, printre care profesorul David Blaauw, specialist în sisteme electronice integrate și senzori wireless cu un consum foarte redus de energie.
Tehnologia a atras deja interes comercial. Compania NTS Innovations, specializată în nanotehnologie, deține licența exclusivă pentru comercializarea acestei tehnologii de recoltare a energiei pe bază de grafen. Potrivit informațiilor prezentate de cercetători, peste 60 de organizații și companii și-au exprimat interesul pentru testarea dispozitivului și identificarea unor posibile aplicații.
Obiectivul pe termen lung este dezvoltarea unor rețele de senzori care să colecteze informații timp de ani întregi, fără intervenții umane frecvente.
Totuși, există încă provocări tehnice importante. Cantitatea de energie captată depinde de intensitatea câmpului electromagnetic, de distanța față de conductor și de caracteristicile instalației electrice. De asemenea, trebuie demonstrate fiabilitatea pe termen lung, costurile de fabricație și capacitatea de funcționare în medii variate.
Prin urmare, nu putem vorbi încă despre senzori capabili să funcționeze autonom timp de decenii, ci despre o tehnologie experimentală care face un pas în această direcție.
O nouă perspectivă asupra alimentării dispozitivelor inteligente
Dezvoltarea senzorilor autonomi ar putea schimba modul în care sunt construite și utilizate viitoarele rețele de dispozitive conectate. În loc să depindă permanent de baterii sau de cabluri de alimentare, acestea ar putea valorifica energia disponibilă în mediul înconjurător.
Studiul realizat de echipele din Arkansas și Michigan demonstrează că inclusiv câmpurile electromagnetice slabe, prezente în jurul instalațiilor electrice obișnuite, pot deveni o resursă utilă atunci când sunt captate și transformate cu ajutorul unor materiale și circuite special concepute.
Grafenul ar putea avea astfel un rol important în viitoarea generație de dispozitive electronice cu un consum energetic extrem de redus. Iar dacă această tehnologie va putea fi combinată cu alte metode de recoltare a energiei, am putea ajunge la o lume în care milioane de senzori monitorizează permanent mediul, infrastructura și echipamentele, fără să mai necesite schimbarea periodică a bateriilor.
Sursa: SciTechDaily