Senzorii renunţă la baterie

Dispozitivele de măsură se alimentează din ce în ce mai mult de la alte surse de energie decât bateriile: vibraţii, presiuni sau lumină...

Nimic nu se pierde, totul se transformă. După senzorii capabili să dialogheze la distanţă, iată că a venit timpul pentru reţelele de senzori care nu mai au nevoie de baterie: ei ignoră bateriile şi se alimentează de la sursele de energie care se găsesc în jurul lor. Aceşti senzori utilizează microgeneratoare care transformă presiunile, vibraţiile, variaţiile de temperatură sau lumină în electricitate. Ei dispun de sis-teme speciale care stochează aceas-tă energie şi o livrează numai atunci când senzorul efectuează operaţia de măsurare. Toate domeniile industriale sunt interesate de această evoluţie tehnologică, care are vântul în pupă atunci când dezvoltarea durabilă se impune. Mica aparatură electromenajeră, automobilele, echipamentele de producţie, robotică, construcţiile, electronică pentru marele public... sunt câteva exemple. Precursor, "Philips" a prezentat acum mai bine de un an la salonul american "Consumer Electronic Show" de la Las Vegas, în ianuarie, o telecomandă de televizor capabilă să funcţioneze fără... baterie. O mică societate franceză, "Arveni", creată în 2007, este la originea acestei invenţii. Ea a furnizat grupului olandez un microgenerator care acţionează cu telecomandă. Este suficient ca utilizatorul să apese pe unul din cele douăsprezece butoane ale telecomandei, pentru ca aceas-tă presiune să se transforme în electricitate. Graţie unui sistem piezzoelectric, microgeneratorul conceput de "Arveni" asigură trans-formarea unei vibraţii sau a unei forţe exterioare în electricitate care alimentează telecomanda. Această energie alimentează, pe de o parte, un sistem constituit dintr-un senzor infraroşu şi un microprocesor care tratează semnalul, şi de altă parte, dintr-un circuit de comunicare bidirecţională radio de tipul ZigBee (protocol de comunicare radio care consumă puţină energie şi are un debit redus a cărui bandă pasantă este de 2,4 GHz). De fiecare dată când o comunicare este necesară, microprocesorul «trezeşte» acest circuit radio pentru a transmite informaţiile cerute. Puterea curentului electric este minimă, aproximativ 90 mW, iar randamentul acestui sistem variază între 10 şi 20%.

"Arveni" nu este un caz singular. Numeroase societăţi se agită pentru a ocupa o parte cât mai importantă din piaţa senzorilor care se autoalimentează, o piaţă care este estimată de specialişti la mai multe miliarde de dolari în următorii doi ani. Societatea franceză "Schneider Electric", de exemplu, comercializează senzori fotovoltaici. Unul dintre specialiştii reputaţi şi probabil unul din pionierii acestei tehnologii este întreprinderea alsaciană "Hager Controls". Specializată în soluţiile de reglare şi gestiune a energiei, ea a pus la punct primele soluţii de acest tip încă din anul 2002. «Noi propunem din 2004 în catalogul de produse un întrerupător fără cablu şi fără baterie pentru comanda lămpilor electrice în locuinţe», explică Nicolas Kalischek, responsabilul serviciului de inovaţii de Hager, adăugând: «Dotat cu o celulă fotovoltaică în siliciu amorf, această soluţie poate rezista mai mult de douăzeci de ani.»

Alte sisteme de acest tip utilizează vibraţiile ca sursă de energie. Este cazul microgeneratorului conceput de societatea engleză "Perpetuum". Sau al celui pus la punct de societatea americană "Infinite Power Solutions" care utilizează tehnologia straturilor subţiri. "MicroStrain", de asemenea din Statele Unite, fabrică microsenzori pentru supravegherea structurilor mecanice. Această societate utilizează fenomenele vibratoare într-un sistem care controlează starea şi fiabilitatea componentelor unui rotor de helicopter Sikorsky MH-60S. În acest caz, microgeneratorul captează vibraţiile, abundente, ale acestui aparat militar, le transformă în energie şi le stochează pentru a putea alimenta o reţea de senzori (de efort, giroscop, accelerometru etc.). Un sistem care furnizează informaţii care erau imposibil de colectat pe aceste piese în mişcare.

În Germania, societatea "Micropelt" utilizează elemente termoelectrice ca sursă de energie. Creată de "Siemens", întreprinderea "Enocean" propune mai multe tipuri de sisteme de recuperare de energie: termică, solară, cinetică... Societatea germană a încheiat un acord de parteneriat cu "Texas Instruments" şi a creat un ecosistem care numără 150 de întreprinderi, majoritatea acţionând în domeniul clădirilor inteligente. Această alianţă a echipat din 2003 mai mult de 100.000 de clădiri cu reţele de senzori fără cablu şi fără baterie, ceea ce a permis o reducere de 30% a costurilor de funcţionare a automatismelor.

Toate aceste tehnologii se perfecţionează în mod permanent. Fiecare nivel al unui sistem de acest tip trebuie să aibă o consumaţie electrică ultraminimă şi timpul de deşteptare a senzorului nu trebuie să depăşească 200 ms pentru ca utilizatorul să nu aibă timp să-şi dea seama de acţiune.

Cercetătorii de la Universitatea Japoneză Kanazawa au pus la punct o baterie care are talia unui nasture de haină şi care se încarcă graţie vibraţiilor. Densitatea ei de energie este de 22 mW/cm2, adică de douăzeci de ori superioară microgeneratoarelor care utilizează materialele piezzoelectrice. Ea utilizează galfenolul, un aliaj foarte ductil de fier şi de gallium.

La Eindhoven, în Olanda, centrul de cercetări şi de dezvoltare Holst Center studiază reţelele de senzori fără cablu autoalimentaţi cu consumaţie ultraredusă. Aceşti senzori sunt dotaţi de un emităţor-receptor care nu consumă decât 200 FV, adică de o sută de ori mai eficace decât reţeaua ZigBee. Această soluţie este destinată aplicaţiilor de întreţinere predictivă sau de control industrial. Cercetătorii olandezi studiază, de asemenea, un microgenerator care utilizează diferite surse de energie şi dispune de o densitate de energie de 100 mW/cm2.

După cinci ani de lucrări, proiectul de cercetări franco-elveţian Captaucom s-a terminat prin punerea la punct a mai multor prototipuri de senzori autoalimentaţi fără cablu. Aceste protototipuri au fost concepute de CEA-Leti, Centrul elveţian de electronică şi de microtehnică (CSEM), Mind, Cetim şi Thésame. Soluţia pusă la punct apelează la mai multe tehnologii inovante care permit: recuperare eficace de energie, comunicare radio cu un consum ultraredus de energie, stocaj de energie pe timp scurt şi lung, tratament de semnal care permite o interpretare fiabilă a fenomenelor, sistem electronic sofisticat... Cele trei întreprinderi partenere la acest proiect, SEB-Tefal, Somfy şi NTN-SNR au decis să breveteze aceste prototipuri: un mic aparat electromenajer autonom, un sistem de supraveghere autonom şi comunicant pentru rulmenţi şi un dispozitiv autonom de securitate şi de supraveghere a ferestrelor, jaluzele, uşilor etc, urmând să fie transformate anul acesta în produse industriale.