Không pin, không cắm điện: Cảm biến tí hon vẫn chạy nhờ từ trường

Trong cuộc sống hằng ngày, những đường dây điện chạy trong nhà hay các công trình đều tạo ra từ trường khi có dòng điện đi qua. Nguồn năng lượng này rất nhỏ và thường không được chú ý đến. Tuy nhiên, với những thiết bị chỉ cần một lượng điện cực ít để hoạt động, nó có thể trở thành nguồn cung cấp năng lượng hữu ích.

Để tận dụng điều đó, các nhà khoa học tại Đại học Arkansas và Đại học Michigan (Mỹ) đã sử dụng graphene, một loại vật liệu siêu mỏng được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon. Graphene có những đặc tính điện đặc biệt, phù hợp để chế tạo bộ phận thu năng lượng từ môi trường.

Một nhà nghiên cứu đang hàn các bộ phận của cảm biến sử dụng vật liệu graphene. Ảnh: Russell Cothren.

Khi đặt gần dây dẫn có dòng điện xoay chiều, bộ phận làm từ graphene có thể thu năng lượng từ từ trường xung quanh. Nguồn điện thu được sau đó được chuyển đổi và tích trữ trong những linh kiện nhỏ gọi là tụ điện. Khi cảm biến cần hoạt động, điện sẽ được lấy từ đây.

Cách làm này cũng giúp thiết bị không cần sử dụng pin thông thường. Trong khi pin tích trữ năng lượng nhờ các phản ứng hóa học, tụ điện giữ năng lượng dưới dạng điện trường và có thể nạp lại nhiều lần.

GS Paul Thibado tại Đại học Arkansas cho biết, quá trình nạp điện diễn ra khá chậm, nhưng vẫn nhanh hơn tốc độ tiêu thụ điện của cảm biến. Nhờ vậy, thiết bị có thể duy trì lượng điện dự trữ trong lúc hoạt động mà không cần thường xuyên được sạc từ bên ngoài.

Ngay cả khi nguồn điện gần đó bị ngắt, cảm biến vẫn có thể tiếp tục hoạt động nhờ lượng điện đã tích trữ. Theo ước tính của ông Thibado, nguồn điện dự phòng này có thể đủ dùng trong ít nhất 24 giờ, thậm chí có khả năng kéo dài đến một tuần.

Để đạt được điều đó, cảm biến được thiết kế sao cho tiêu thụ rất ít điện năng, chỉ ở mức nanowatt, tương đương một phần tỷ watt.

Thực tế, nhóm nghiên cứu đã theo đuổi ý tưởng tạo ra những cảm biến tự lấy năng lượng từ môi trường trong nhiều năm. Trước đó, họ từng chế tạo thành công cảm biến nhiệt độ sử dụng các tế bào quang điện làm từ graphene, cho phép thiết bị hoạt động nhờ ánh sáng.

Với mẫu cảm biến mới, các nhà khoa học muốn tận dụng thêm những nguồn năng lượng khác như nhiệt, âm thanh, chuyển động và từ trường quanh dây điện. Nếu kết hợp được nhiều cách thu năng lượng trong cùng một thiết bị, cảm biến có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi một nguồn năng lượng tạm thời không còn.

Những cảm biến như vậy có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm đất trong nông nghiệp, kiểm tra điều kiện môi trường hoặc giám sát hàng hóa trong quá trình vận chuyển. Đây đều là những công việc cần đo đạc thường xuyên, đôi khi ở những nơi khó tiếp cận hoặc không thuận tiện để thay pin.

Hiện công nghệ này vẫn đang trong quá trình phát triển. Công ty công nghệ nano NTS Innovations đã được cấp quyền thương mại hóa giải pháp thu năng lượng bằng graphene. Hơn 60 đơn vị cũng bày tỏ sự quan tâm đến việc thử nghiệm và đưa công nghệ vào các sản phẩm thực tế.