Ηλεκτρισμός από ηλεκτρομαγνητικά κύματα

Του Κωστα Δεληγιαννη

Ραδιοκύματα, τηλεοπτικά σήματα, δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Μέχρι σήμερα, όλοι γνωρίζαμε πως η αξιοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έφερε την επανάσταση στον χώρο των τηλεπικοινωνιών και της ψυχαγωγίας, αφού επέτρεψε την ασύρματη μετάδοση εικόνας και φωνής σε τεράστιες αποστάσεις. Ωστόσο, ερευνητές από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στις ΗΠΑ, με επικεφαλής τον Ελληνα καθηγητή του Ινστιτούτου Μάνο Τεντζέρη, είναι οι πρώτοι στον κόσμο που κατάφεραν να εκμεταλλευθούν αποτελεσματικά όλα αυτά τα σήματα για να παράγουν ηλεκτρισμό κυριολεκτικά από τον αέρα. Κι αυτό γιατί έχουν αναπτύξει μία τεχνολογία, η οποία καταφέρνει να «αιχμαλωτίζει» ένα σημαντικό μέρος της ενέργειας που μεταφέρουν τα κάθε λογής ηλεκτρομαγνητικά κύματα και να την αποθηκεύει υπό τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας. Με αρχικό σκοπό να ηλεκτροδοτούνται μικροσκοπικές ηλεκτρονικές ετικέτες που έχουν περιορισμένες απαιτήσεις σε ρεύμα, έτσι ώστε να λειτουργούν εντελώς αυτόνομα, χωρίς δηλαδή κάποια άλλη πηγή τροφοδοσίας.

Τι ακριβώς είναι αυτές οι ετικέτες; «Μια μεγάλη γκάμα από αισθητήρες, οι οποίοι μπορούν π. χ. να ανιχνεύουν την παρουσία συγκεκριμένων χημικών ουσιών ή να μετρούν τη θερμοκρασία και την πίεση που δέχονται, ενώ διαθέτουν επίσης τσιπ ώστε να μεταδίδουν ασύρματα τα δεδομένα τους στο Διαδίκτυο», λέει ο κ. Τεντζέρης. Ετσι κι αλλιώς, όλοι οι ειδικοί προβλέπουν πως τέτοιου είδους ηλεκτρονικές «έξυπνες ετικέτες» θα παρακολουθούν στο μέλλον την κατάσταση λειτουργίας χιλιάδων συσκευών, μηχανημάτων και προϊόντων, και θα ενημερώνουν τον χρήστη όταν ανακύψει κάποιο πρόβλημα.

Για παράδειγμα, μικρά ηλεκτρονικά συστήματα που θα προστίθενται στις συσκευασίες των τροφών θα έχουν τη δυνατότητα να εντοπίζουν αν τυχόν υπάρχει κάποιος παθογόνος μικροοργανισμός ή παράγονται ουσίες (π. χ. αμμωνία) που υποδεικνύουν πως το τρόφιμο έχει αλλοιωθεί – ειδοποιώντας μάλιστα τον υποψήφιο αγοραστή. «Ανάλογοι αισθητήρες θα μπορούν να εγκατασταθούν κατά χιλιάδες σε οικήματα και γέφυρες σε σεισμογενείς περιοχές, ώστε κατά τη διάρκεια μιας δόνησης να μετρούν την πίεση που τους ασκήθηκε», συμπληρώνει ο κ. Τεντζέρης, «δίνοντας τη δυνατότητα στους υπευθύνους να ελέγχουν μέσω του κινητού τους τηλεφώνου την κατάσταση των κτιρίων και των άλλων υποδομών αμέσως μετά τον σεισμό». Επίσης, αναπτύσσονται αισθητήρες που θα παρακολουθούν τους σφυγμούς ενός καρδιοπαθούς ώστε, όταν εντοπίσουν κάτι ανησυχητικό, πάλι μέσω του κινητού τηλεφώνου του ασθενούς να ενημερώσουν τον γιατρό του.

Ομως, ένα από τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα που εμπόδιζαν έως τώρα να γίνουν πραγματικότητα τέτοιες εφαρμογές ήταν το γεγονός ότι κανονικά οι ετικέτες αυτές χρειάζονται μπαταρία για να λειτουργήσουν – κάτι πρακτικά αδύνατο αν, ανά 3 - 6 μήνες, θα έπρεπε να αντικαθίστανται χιλιάδες μπαταρίες. Ετσι, η τεχνολογία των επιστημόνων από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας δίνει λύση σε αυτό το μειονέκτημα, αφού η διάταξη που έχουν δημιουργήσει εξασφαλίζει την απαραίτητη ενέργεια, «αντλώντας» την από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που «βομβαρδίζουν» κάθε περιοχή του πλανήτη.  

«Η διάταξη που προστίθεται στον αισθητήρα έχει μέγεθος πιστωτικής κάρτας και αποτελείται από μία ειδικά σχεδιασμένη αντένα η οποία συντονίζεται με τα κύματα για να “απορροφά” ενέργεια, ενώ ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αναλαμβάνει να τη συλλέξει και την αποθηκεύσει», εξηγεί ο Έλληνας καθηγητής.

Τα πρώτα πειράματα της ερευνητικής ομάδας ξεκίνησαν το 2006, όταν κατάφεραν να ενεργοποιήσουν έναν αισθητήρα θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας τα κύματα που εξέπεμπε ο «πύργος» ενός τηλεοπτικού σταθμού, σε απόσταση περίπου 1.000 μέτρων. «Το πρόβλημα που αντιμετωπίζαμε τότε, όπως και πολλοί άλλοι επιστήμονες που προσπαθούσαν να αναπτύξουν μια παρόμοια τεχνική, ήταν ότι μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα πολύ περιορισμένο εύρος συχνοτήτων, δηλαδή μόνο την μπάντα των τηλεοπτικών σημάτων (100 - 200 MHz)», σημειώνει ο κ. Τεντζέρης. Αυτό σήμαινε πως η τεχνολογία δεν ήταν ακόμη αρκετά ευέλικτη, από τη στιγμή που σε κάποια περιοχή ενδεχομένως το τηλεοπτικό σήμα είναι ασθενές και, αντίθετα, έχουν μεγάλη ένταση τα ραδιοκύματα.

Σήμερα, πάντως, η διάταξη έχει βελτιωθεί σε τέτοιο βαθμό που λειτουργεί σε πολλαπλάσιο φάσμα συχνοτήτων – πιο συγκεκριμένα, από τα 100 MHz έως τα 2 GHz, καλύπτοντας δηλαδή τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα από τους τηλεοπτικούς σταθμούς, τις κεραίες κινητής τηλεφωνίας και τα ραντάρ. Κάτι που επιτυγχάνεται για πρώτη φορά από οποιαδήποτε ερευνητική ομάδα. «Εκτός από μεγαλύτερη ευελιξία, η τεχνολογία μας μπορεί πλέον να παράγει επίσης μεγαλύτερα ποσά ενέργειας», συμπληρώνει ο επιστήμονας, «αφού όσο περισσότερες μπάντες αξιοποιεί, τόσο περισσότερη είναι και η ισχύς που αποθηκεύει». Ετσι, από τα microwatt (εκατομμυριοστά του watt) ισχύος που εξασφάλιζαν οι επιστήμονες πριν από πέντε χρόνια, η αντένα με το κύκλωμα μπορούν τώρα να πετύχουν απόδοση μερικών milliwatt (χιλιοστών του watt). Ισχύς η οποία είναι αρκετή ώστε η διάταξη να διατηρεί σε λειτουργία ασύρματους αισθητήρες, μικροεπεξεργαστές και άλλα ανάλογα εξαρτήματα.

«Στόχος μας είναι στο άμεσο μέλλον να αυξήσουμε ακόμη περισσότερο τα όρια των συμβατών συχνοτήτων, ώστε να συμπεριλάβουμε τόσο τα ραδιοκύματα όσο και την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα ηλεκτρικά καλώδια των σπιτιών ή τα οικιακά δίκτυα Wi-Fi», προσθέτει ο κ. Τεντζέρης. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ακόμη και για τη φόρτιση κινητών τηλεφώνων. «Για να αυξήσουμε την απόδοση, παράλληλα αναπτύσσουμε συστήματα τα οποία θα έχουν τη δυνατότητα να μετατρέψουν σε ηλεκτρικό ρεύμα την κινητική ενέργεια του τηλεφώνου», τονίζει. Και βέβαια, η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκά πάνελ, ώστε οποιαδήποτε φορητή συσκευή να φορτίζεται με το φως του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας και τη νύχτα από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Ανακυκλώσιμες οι «έξυπνες» ετικέτες

Εκτός από την αξιοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρισμού, στην πραγματικότητα οι επιστήμονες από το Ερευνητικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Georgia έλυσαν κι ένα δεύτερο πρόβλημα, που αντιμετωπίζουν οι ηλεκτρονικές «έξυπνες ετικέτες»: το γεγονός ότι μέχρι σήμερα οι αισθητήρες και τα υπόλοιπα εξαρτήματά τους κατασκευάζονται από κεραμικά υλικά ή πυρίτιο. Αυτό συνεπάγεται πως επιβαρύνουν το περιβάλλον μετά το τέλος ζωής τους, αλλά και έχουν μεγάλο κόστος παραγωγής. «Ωστόσο, εμείς καταφέραμε να βρούμε μία τεχνική κατασκευής όπου ολόκληρη η “ετικέτα”, μαζί με την αντένα που “απορροφά” ενέργεια από τον αέρα, τυπώνεται από ειδικούς εκτυπωτές inkjet πάνω σε χαρτί, πλαστικό ή οργανικό πολυμερές», αναφέρει ο Μάνος Τεντζέρης από το Ινστιτούτο. Με τα «μελάνια» που χρησιμοποιούνται να είναι ειδικές νανο-ενώσεις, οι οποίες υποκαθιστούν τα συμβατικά υλικά κατασκευής.

Ετσι, οι «έξυπνες ετικέτες» των ερευνητών είναι πλήρως ανακυκλώσιμες, κάτι που είναι ιδιαίτερο χρήσιμο από τη στιγμή που αναμένεται να χρησιμοποιούνται κατά χιλιάδες. Εξίσου σημαντικό είναι, όμως, το ότι η εκτυπωτική διαδικασία διαρκεί ελάχιστα, είναι απλή και μειώνει το κόστος παραγωγής τους κατά 10–15 φορές συγκριτικά με τις σημερινές τιμές.

«Το αργότερο σε μία δεκαετία, η τεχνολογία μας θα μπει σε βιομηχανική παραγωγή», προβλέπει ο Ελληνας επιστήμονας. Ηδη, άλλωστε, η Microsoft σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τις έξυπνες ετικέτες του Ινστιτούτου για την πιστοποίηση των προϊόντων της, ενώ οι επιστήμονες βρίσκονται σε συνομιλίες με ιαπωνικές εταιρείες, οι οποίες θέλουν να χρησιμοποιήσουν μικροσκοπικούς αισθητήρες για την τηλεπαρακολούθηση ηλικιωμένων και ανθρώπων με προβλήματα υγείας.

ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗ