科学家研发石墨烯能量采集器：可从环境电磁辐射中“隔空取电”，为传感器供电

IT之家 11 月 8 日消息，雷神托尔（Thor）是北欧神话中的雷电之神，以能够凭空召唤闪电而闻名。事实证明，要实现类似效果未必需要一把魔法锤子。科学家近日研发出一种新型装置，能够收集环境中的电磁辐射，并将其转化为电能。 IT之家注意到，来自阿肯色大学和密歇根大学的研究人员开发出一种基于石墨烯的能量采集装置，能够利用附近电线产生的环境辐射发电。 研究人员利用这项技术搭建了一套无需电池的温度传感系统，其中包括能量采集器、电能转换电路、储能电容器以及超低功耗温度传感器。整套系统无需有线供电，通过电磁感应获取电能，为传感器提供运行所需的电力。 那么，电线周围的环境辐射究竟是如何为独立设备供电的？ 电流流过导线时，会在导线周围产生磁场。对于交流电（AC）而言，随着电流不断变化，磁场的方向和强度也会持续改变。研究人员开发这套系统的美国采用 60Hz 交流电，也就是说，电流每秒完成 60 次周期变化。这些不断变化的磁场中蕴含着能量。 研究人员找到了一种捕获部分磁场能量并将其转化为电能的方法，产生的电力足以驱动一枚微型温度传感器。 具体而言，他们利用石墨烯制造了一个电感器，并加入钢制磁芯，以增强其捕获磁场的能力。当电感器靠近电源线时，变化的磁场会穿过电感器，并在其两端感应出微弱的交流电压。这一过程遵循的正是电磁感应原理，也是传统变压器和发电机工作的基本原理。 不过，这种微弱的电信号还无法直接用于驱动电子元件。 首先，电感器产生的是交流电，而温度传感器需要使用直流电（DC）。其次，产生的电压也过低，无法稳定驱动任何设备。因此，研究人员还需要借助装置的另一部分：电能转换电路和储能系统。 研究人员设计了一套基于考克饶夫-沃尔顿（Cockcroft-Walton）倍压电路的转换系统，能够将交流信号整流为直流电，并逐步提高电压，使其达到传感器电子元件所需的水平。 在储能方面，研究人员没有采用传统的可充电电池，而是使用了三个电容器来储存采集到的电能。这些电容器能够逐步积累电荷。研究人员表示，能量采集器补充电能的速度超过了温度传感器消耗电能的速度。 即便经过上述处理，系统产生的电能仍然太少，无法驱动普通电子设备。为了解决这一问题，研究人员采取了量体裁衣的思路，专门设计了一套超低功耗温度传感系统，将功耗控制在纳瓦级别，也就是仅消耗十亿分之一瓦的电力。 作为对比，这套系统的功耗理论上约为单只 AirPods 耳机的 3000 万分之一。 尽管石墨烯电感器采集能量的速度相对缓慢，但研究人员表示，其补充电容器电能的速度仍然快于传感器消耗电能的速度。因此，只要周围存在足够的电磁能量，系统就能持续运行。 此外，电容器还能储存多余电能。即使附近电源线暂时断电，传感器也可以依靠此前储存的电荷继续工作。研究人员表示，储存的电能至少可以让系统运行 24 小时，甚至可能达到一周。 石墨烯能量采集器的发明者、保罗 · 蒂巴多（Paul Thibado）教授表示：“电感器向这些电容器补充电荷的速度比较慢，但仍然快于传感器消耗电容器电荷的速度。因此，即使电源断电，系统依然可以从电容器中获取电荷。按照我们的设计方式，它轻松就能运行 24 小时，甚至可能持续一周。” 总的来说，研究人员开发出了一套温度传感系统，能够通过专用石墨烯能量采集器，从环境辐射中获取极其微量的电能。只要附近电线仍在通电，这套独立运行的系统就可以持续执行温度监测任务。 这项技术一个颇具潜力的应用场景，是拥有大量设备的大型工业设施。例如，工厂可能需要部署数千个温度传感器，持续监测机械设备、管道以及周围环境。传统方案要么需要铺设电源线，增加系统部署和维护的复杂程度，要么依赖电池供电，而电池最终需要更换。 采用研究人员开发的装置后，大量传感器有望摆脱有线供电，也无需定期更换或充电电池。 不过，这项技术目前仍存在一些限制，需要明确说明。 首先，研究人员展示的能量采集装置需要靠近具有足够强度的变化磁场，也就是附近必须有合适的通电线路。它并不能在任意环境中凭空发电。 其次，研究人员尚未证明系统能够在完全放电的状态下自行启动。在实验中，电容器最初已经完成充电，处理器也已预先编程。 最后，这套系统的输出功率只有纳瓦级别，几乎只能驱动专门设计的温度传感器。因此，暂时还不必期待手机很快就能实现所谓的“空气充电”。 尽管目前研究团队将温度传感器作为概念验证，但他们认为，这套系统未来可以用于多种低功耗传感设备，应用领域包括产品追踪、大气环境监测、物流车队管理、土壤监测、可穿戴健身设备以及医疗监测等。 此外，研究人员还在探索从其他来源获取电能的可能性，包括声能、非线性辐射、太阳能、热能、动能以及环境辐射等。团队的最终目标是开发能够从环境中的多种能源获取电力、无需外部供电的自主传感系统。 相关研究论文已发表于《真空科学与技术杂志》（Journal of Vacuum Science and Technology）。 参考资料： https://pubs.aip.org/avs/jvb/article-abstract/44/6/062401/3406852/Graphene-powerline-energy-harvester-powers-a

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