Titreşimden Elektrik Elde Eden Milimetre Ölçeğindeki Üreteç

Michigan Üniversitesi'ndeki Elektrik Mühendisleri tarafından, kendi sınıfında bulunan eş değer cihazlardan 5 ile 10 kat daha fazla verimliliğe sahip ve bir 50 kuruştan daha küçük boyutta olan ve titreşimleri elektriğe çeviren bir cihaz tasarlandı.
 

Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği kürsü başkanı olan ve bu sistem tasarımcılarından biri olan Khalil Najafi'nin yaptığı açıklamada "Piyasada bulunan diğer ürünlerin aksine çok küçük bir alanda, giriş değişkenine göre çok daha fazla güç üreten bir cihaz geliştirmeyi başardık."
 

Bu titreşimden enerji üreteci, özel olarak dönme hareketi kullanan, sanayi tesislerinde bulunan makinalardan elde edilecek titreşim enerjisi ile kablosuz sensör ağlarını beslemek için tasarlanmıştır. Bu kablosuz sensör ağları, oluşabilecek herhangi bir arıza durumunda makina operatörlerini bilgilendirmek için kullanılmaktadır.
 

Bugün kullanılan bu sensörler, günümüzde prizden veya bataryadan beslenmektedir. "Kablosuz" olarak adlandırılmaktadır, çünkü bilgi transferi esnasında herhangi bir kablo kullanılmamaktadır. Sistem tasarımcılarından biri olan ve Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği doktora öğrencisi olan Erhan Aktakka'nın yaptığı açıklamada bu kablosuz sensörlerin bir güç kaynağından beslemeleri kurulum ve bakım maliyetlerini yüksek miktarda arttırmakta olduğu belirtilmektedir.
 

Araştırmacılara göre, uzun süreli güç sağlanması, geniş çaplı bilgi-toplama sistemlerinin en büyük problemlerinden bir tanesidir. Aktakka'nın yaptığı açıklamada "Kullanımda olan bir kablosuz sensörün süregelen kullanım süresi harcamaları incelenciğinde, toplam maliyetin %80'i sadece kurulum ve bakım, sürekli izleme, test etme ve sınırlı bataryaların değiştirilmesi maliyetlerini oluşturmaktadır. Şu anda kullanılan enerjinin kesimi çevresel ve efektif bir çözümdür."
 

Araştırmacılar, yüksek kalitede enerji üreten piezoelektrik materyal ve devre aracılığı ile ulaşılabilecek bir komple sistem olarak tasarlanmıştır. (Piezoelektrik materyaller mekanik yapının şarj edilmesini sağlamaktadır, ki bu durum makinenin titreşimlerinden elde edilen enerji ile mümkün olmaktadır.)
 

Najafi'nin yaptığı açıklamada: "Çevremizde bir çok enerji çeşidi bulunmaktadır. Örneğin yıldırım yüksek miktarda elektrik ve güce sahiptir yalnız kullanışlı değildir. Enerjiyi kullanılabilir hale getirebilmek için kapasitede veya bataryada şarj edilmesi gerekmektedir. Biz bu entegre sistemde başlangıç akımına ihtiyaç duymayan ultrakapasite kullandık."
 

Enerji toplanmasını sağlayan parçanın aktif kısmında enerji çevrimi sadece 27 kübik milimetrede gerçekleşmektedir. Paketlenmiş bu sistemde güç yönetimi devresi, bir 50 kuruş boyutlarındadır. Bu sistem 14 hertzlik büyük bir bant genişliğine sahiptir ve 155 hertz titreşim frekansında çalışır. Bu titreşim frekansı çalışan bir mikrodalga fırının üzerine elinizi koyduğunuzda hissettiğiniz titreşim frekansına benzemektedir.
 

Aktakka bu durum hakkındaki görüşünü şöyle dile getirmiştir. "Daha önce titreşim ile çalışan bu sistemler ya çok yüksek frekanslarda, ya da çok dar bant genişliğinde çalışıyorlardı. Bu durum dolayısı ile pratikte laboratuvar ortamı dışındaki bir ortamda çalışmaları pratik olarak sınırlıydı."
 

Bu yeni cihaz ise 1,5 gramlık titreşim genlikte 200 mikrowatt'tan daha fazla elektrik üretmektedir. (Dünya'nın yerçekimine maruz kalan tüm objelerin yerçekimsel ivmeleri 1 gramdır.) Buradan elde edilen enerji ile entegre devre aracılığı ile 1,85 volta kadar ultrakapasite şarj edilmektedir.
 

Teorik olarak bu cihazlar genel bir bakıma ihtiyaç duymadan 10 ile 20 yıl arasında çalışabilmetedir. Aktakka, "Bu sistemin, önceden şarj edilmeye veya ayrı bir güç kaynağına ihtiyaçları bulunmadığı için, sınırsız raf ömrü bulunmaktadır." açıklamasında bulunmuştur. Yeni bir silikon mikromakine tekniği ile mühendislerin diğer cihazların haricinde yüksek kalitede piezoelektrik materyal, üretimine olanak tanınmaktadır.
 

2015 yılında kablosuz sensör ağlarının endüstrideki uygulamaları için piyasa hacminin 450 milyon doları bulmasının beklendiğini söylemiştir Aktakka.
 

Bu yeni cihazlar tıp ve otomativ endüstrisi uygulamalarnda da kullanılabilmektedir. Najafi'nin yaptığı açıklamaya göre bu cihazlar, insanlara tıbbi implant aşamasında veya araçların motorlarındaki sıcaklık sensörleri olarak kullanılabilir.
 

Araştırmacılar bu çalışmalarını Beijing'de Haziran'da düzenlenecek olan 16. Katıhal Sensörleri, Aktüatörler ve Mikrosistemler (TRANSDUCERS 2011) konferansında sergileyeceklerdir. Bu araştırmalar Savunma Teknolojileri Projeleri Geliştirme Kurumu ve Ulusal Nanoteknoloji Altyapı Ağı tarafından finanse edilmiştir. Üniversite, fikir hakkı patentini almak için çalışmalara başlamış ve bu teknolojinin pazara çıkmasına yardımcı olacak ticari ortaklar aramaktadır.