Képzelj el olyan közlekedési lámpákat és autókat, amelyek egymással kommunikálnak a közlekedés optimalizálása érdekében. Ez nem science fiction – ez az Internet of Things (IoT), azaz azok az eszközök, amelyek érzékelik környezetüket, és az interneten keresztül válaszolnak. Ahogy a globális népesség nő, és az ilyen technológiák fejlődnek, az ember azt kérdezheti: mi fogja táplálni a holnap digitális világát?
Szél, napenergia, igen. Valami, ami körülvesz bennünket, de talán nem jut azonnal az eszünkbe – a hő.
A Nature Communications -ben nemrégiben megjelent tanulmányban egy több intézményből álló kutatócsoport, köztük az Osaka Egyetem is, forradalmi áttörést mutatott be a tiszta energia területén: jelentősen javult a termoelektromos átalakítás.
Az egyik lehetséges alkalmazása? Igen, az IoT.
A nagy léptékű, globális IoT integrációt az akadályozza, hogy nincs megfelelő energiaellátás. Reálisan véve az IoT energiatermelése helyi és kis méretű kell legyen.
A hőelektromos átalakítás miniaturizációja segíthet megoldani ezt az energiaellátási problémát, azáltal, hogy a mikroelektronika által egyébként elpazarolt hőt felhasználja elektromos áramforrásként. Azonban a jelenlegi hőelektromos átalakítás hatékonysága gyakorlati alkalmazásokhoz nem elegendő. A kutatócsoport tanulmányának célja ennek a hatékonyságnak a javítása volt.
"A munkánkban egy két-dimenziós elektron gáz (2DEG) rendszert mutatunk be, amely több alsávval rendelkezik, és amelyben a gallium-arzenidet használjuk. A rendszer különbözik a hagyományos hőelektromos átalakítás módszereitől" – magyarázzák a tanulmány vezető és fő szerzői, Uematsu Yuto és Nakamura Yoshiaki.
"Rendszerünk megkönnyíti a hőmérsékletről (hőről) elektromossággá történő jobb konverziót, és javítja az elektronok mobilitását a 2D lapon. Ez közvetlenül előnyös mindennapi eszközök számára, mint például a félvezetők."
Hihetetlen módon a kutatóknak sikerült a termoelektromos átalakítás teljesítménytényezőjét négyszeresére növelni a hagyományos 2DEG rendszerekhez képest. Más technológiák, mint például a rezonáns szórás, nem bizonyultak ilyen hatékonyaknak a termoelektromos átalakítás terén. A csapat eredményei az IoT számára fenntartható energiatermelés útját nyithatják meg. A gallium-arzenidből készült alátéten lévő vékony termoelektromos fóliák például alkalmasak lehetnének az IoT alkalmazásokra. Például ezek táplálhatnák a távoli helyeken elhelyezett környezetfigyelő rendszereket vagy az orvosi monitorozásra szolgáló hordható eszközöket.
"Izgatottak vagyunk, mert bővítettük egy olyan folyamat elveit, amely kritikus a tiszta energia és a fenntartható IoT fejlesztésében" – mondja Nakamura Yoshiaki, a tanulmány fő szerzője. - "Ráadásul a módszerünket bármilyen elemalapú anyagra alkalmazhatjuk; a gyakorlati alkalmazások távolra mutatnak."
Ez a munka fontos előrelépés a termoelektromos áramtermelés kihasználásában a modern mikroelektronikában, és kifejezetten alkalmas az IoT számára. Mivel az eredmények nem korlátozódnak a gallium-arzenidre, további fejlesztések lehetségesek a rendszer terén, amelyek jelentős mértékben elősegíthetik a fenntarthatóságot és az IoT-t.