Аспирант кафедры ТКС создает устройство, которое сможет работать без батареек

Аспирант 2 года обучения кафедры телекоммуникационных систем Максим Соколов занимается созданием устройства, которое в перспективе сможет воспринимать и накапливать окружающую нас электромагнитную энергию и перерабатывать ее. Изобретение в будущем позволит отказаться от батареек и будет применимо в различных бытовых устройствах.

Варианты развития для микроэлектроники

Одним из путей развития микроэлектронной отрасли является полная автономность таких электронных устройств, как сенсоры. На сегодняшний день в мире существует масса решений, позволяющих преобразовывать свет, вибрацию, температуру, мельчайшие движения воздуха, нажатие в электрическую энергию, достаточную для питания сенсорных устройств и систем передачи информации. Этому направлению посвящено и новое исследование Максима Соколова.

Сопоставление устройства с размерами батарейки и монтаж устройства

Идея проекта

Идея исследования основана на существовании большого количества источников электромагнитного излучения в окружающем нас пространстве. Большая часть энергии этих источников, например, базовых станций мобильной связи, телевизионных и радиопередатчиков, расходуется практически впустую, просто рассеиваясь в пространстве. Предлагаемая кафедрой ТКС технология позволяет концентрировать и запасать эту энергию для дальнейшего использования. Эта технология имеет некоторое сходство с технологиями, используемыми в RFID и NFC метках, бесконтактных банковских картах, проездных документах и других привычных устройствах. Так, к примеру, банковская карта работает без внешних источников питания. Человечество использует электромагнитные колебания для передачи энергии уже более ста лет. Однако если раньше энергии, которую вырабатывали передающие радиостанции, было достаточно, чтобы обеспечить работу детектора без использования источника питания, то сейчас подходы к рациональному потреблению энергии существенно изменились.

В настоящее время в связи с развитием современных систем мобильной, спутниковой, радиосвязи и интернета вещей диапазон требуемой мощности излучения каждого из этих устройств стал чрезвычайно широк и может составлять от мегаватт до микроватт. Кроме того, увеличились частоты, на которых происходит передача сигналов: если раньше это были сотни килогерц, то теперь диапазон расширился до тысяч мегагерц. Все это, с одной стороны, создает трудности для получения из окружающего пространства энергии, достаточной для работы сенсорных устройств и различных бытовых приборов, с другой – формирует вызовы для исследователей всего мира по возможности накопления этой энергии и создания высокоэффективных электронных схем. Одним из таких ученых стал аспирант ТКС Максим Соколов.

Предварительный вид платы

Устройство

Для создания устройства вместе с научным руководителем Александром Геннадиевичем Тимошенко Максим провел ряд исследований по основным антропогенным источникам излучения и проанализировал возможное количество энергии, которое может быть получено таким путем.

«Для возможного практического применения предлагаемого метода мы предложили разместить все элементы устройства в габаритах обычной пальчиковой батарейки, – рассказал аспирант. – В итоге мы получили прибор, представляющий собой антенну, согласующее устройство, преобразователь и накопитель энергии».

В дизайн-центре «Проектирование СБИС для телекоммуникаций» кафедры ТКС пояснили, что антенна воспринимает и преобразует электромагнитное излучение из окружающего пространства в гармонические колебания, которые с помощью преобразователя усиливаются и поступают на накопитель энергии. В качестве накопителя используется суперконденсатор с малыми токами утечки.

«Это позволяет уменьшить потери энергии и повышает КПД устройства, которое из-за наличия паразитных эффектов невелико, порядка 30 %, – рассказывает Максим Соколов. – Но за счет применения согласующей цепи, а также особого расположения витков антенны, эффективность преобразования можно повысить до 80 %. Мы знаем много подходов, позволяющих повысить эффективность преобразователя до 90-95 %. Например, с использованием в качестве элементов преобразователя диодов на основе новых материалов, обеспечивающих работу с напряжениями порядка единиц микровольт».

На устройство сбора и хранения энергии, полученной беспроводным путем, была подана заявка для оформления результатов интеллектуальной деятельности на патент на полезную модель. В итоге исследование получило поддержку Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и на данный момент выходит на завершающий этап.

Перспективы использования

Дальнейшее развитие проекта предполагает интеграцию разработанного устройства сбора и хранения электромагнитной энергии в различные применяемые в быту устройства для обеспечения их автономности, избавления людей от необходимости замены батареек.

«Уменьшение количества применяемых в быту элементов питания ведет к снижению нагрузки на экологию Земли и обеспечению ресурсосбережения», – считает Максим. Кроме того, для таких бытовых устройств авторы проекта, а также студенты и сотрудники кафедры ТКС планируют в будущем разрабатывать новые отечественные интегральные схемы, которые можно будет изготовить на производствах НПК «Технологический центр» и других российских предприятий.