Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Vores hjem og dagligdag fyldes med stadigt flere trådløse enheder, der forlanger energi til gengæld for at virke. Og får de den ikke fra kabel eller batteri, må de hente den ud af luften.
Sådan nogenlunde er filosofien bag et projekt, der er udført af forskere ved University of Washington i Seattle, hvor en prototype på en mobiltelefon uden batteri netop er blevet præsenteret. I stedet henter denne dejligt selvhjulpne enhed strøm fra de trådløse signaler fra radio/tv-stationer, mobilmaster, Wi-Fi-routere og masser af andre kilder, hvis signaler flimrer overalt i luften omkring os. I hvert fald så længe vi befinder os i den ”civiliserede” verden.
Nyt men ikke yt
Det med at hente energi fra omgivelserne, er som sådan ikke noget nyt. Det har ingeniører forsøgt gennem adskillige år. Men det er en krævende og dyr teknologi, og de forskere og udviklere, der arbejder med ”energy harvesting”, som disciplinen kaldes, knokler for dels at bringe prisen ned og dels gøre energihøst almindeligt udbredt.
Teknologien er i virkeligheden heller ikke så umulig, så længe det drejer sig om små enheder med meget beskedne strømkrav, og som til eksempel kun bruger få mikrowatt og kun gør det i perioder (f.eks. IoT-sensorer og lignende. Se artiklen om smarts cities andetsteds i dette nummer).
Men til mere krævende enheder som mobiltelefoner, der let forbruger over en watt under samtale, kommer enhver ”snylteteknologi” foreløbig til kort. Og det er netop denne udfordring, forskerne aser som æsler for at overkomme.
Antennerne ude
Alle konventionelle mobiltelefoner har flere indbyggede antenner, og hver antenne er tilpasset en bestemt frekvens alt efter, om den håndterer telefoni, Wi-Fi, Bluetooth eller gps. Alle disse signaltyper er dog ekstremt svage og skal forstærkes kraftigt op, før de kan blive til lyd, billeder eller data i mobilen. Desuden falder energistyrken grotesk hurtigt i takt med, at afstanden til senderen øges.
Faktisk reduceres styrken hele fire gange for hver fordobling af afstanden. Signaler fra mobilmaster og gps-satellitter betragtes derfor naturligvis som alt for fjerne til at kunne være til nogen nytte. Bluetooth-enheder og WiFi-signaler er så en del tættere på, men da eksempelvis en typisk Wi-Fi-router kun afgiver maks. 100 milliwatt i alle retninger, er der heller ikke meget energi at hente fra den kant. Dertil kommer antenne-effektiviteten. Den kan i særlige tilfælde komme op på 60 %, men er som regel meget dårligere. Selv multiantenne-høstere er derfor ikke nogen oplagt ide.
Alligevel er det nu lykkedes at lancere den første batteriløse mobiltelefon, der med et strømforbrug på bare få mikro-watt faktisk er i stand til at tilbyde samme grundlæggende funktionalitet som en helt almindelig mobiltelefon.
”Det helt store problem har været, at mens IoT-sensorer og andre lignende små trådløse RF-enheder, der indtil nu er konstrueret til at høste energi fra omgivelserne, arbejder og høster på skift, så skal en mobil være on, så længe du taler,” forklarer elektroingeniør Wamsi Talla, der har været medleder af projektet. ”Det duer ikke, at du skal vente et minut eller to, før din mobil har fået suget så meget juice ud af luften, at din samtalepartner kan svare.”
![](https://www.computerworld.dk/uploads/aod/2018/08/Free1-1024x683.jpg)
Gratis radiobølger til afhentning
Men da den mængde energi, du traditionelt kan indhøste fra radiobølger i omgivelserne ligger et sted mellem 1-10 mikrowatt har udfordringerne været gevaldige, og forskerne har da også måttet sluge et par storpuklede kameler undervejs.
Først forsøgte forskerne sig med en teknologi, der kaldes backscattering. Fidusen er her meget populært udtrykt, at du kan kradse gratis energi ind fra de radiobølger, som ifølge loven om indfaldsvinkel og udfaldsvinkel altid vil blive reflekteret tilbage til kilden (backscattered) og derfor reelt ikke gør nogen nytte. Derfor ”koster” de heller ikke noget og kan frit moduleres, så de kan udgøre en lille selvstændig og uafhængig transmission.
”Gælder det mobiltelefoni er denne teknologi almindeligvis digital, men uheldigvis kræver det forholdsvis meget strøm at omsætte analog menneskelig tale til digitale signaler. Så i stedet vendte vi os mod analog backscattering, der faktisk er en kendt og elsket spionageteknik fra tiden under den kolde krig,” røber Wamsi Talla.
De amerikanske ingeniører udnytter de mikroskopiske vibrationer, der opstår i en mobiltelefons mikrofon og højttaler under samtale til at modulere backscatter-bølgerne i takt med talen, så resultatet bliver et analogt signal.
Forskerne byggede til forsøgene en lille selvstændig basestation, som de kunne tappe gratis backscatter-energi fra og på den måde opnå dækning på op til 15 meters afstand. Men i praksis vil en almindelig Wi-Fi-router også sagtens kunne gøre fyldest.
Godt nok skal den analoge tale i sidste ende omsættes til digitale signaler igen for overhovedet at kunne transmitteres gennem mobilnettet, men den nødvendige elektronik hertil behøver jo ikke nødvendigvis at være indbygget i telefonen, men kan mageligt rummes i Wi-Fi-routeren. Og da hvert hus og hver bolig efterhånden har en Wi-Fi-router, vil du i praksis kunne opnå batteriløs mobildækning overalt.
Endnu bedre vil det dog nok være at placere elektronikken i mobilmasten, der trods alt er i stand til at yde langt mere radio-energi og derfor måske vil kunne bringe transmissionsafstanden op på en hel kilometer. Til selve driften af telefonen tilføjede forskerne en lille solcelle (på størrelse med et riskorn), der netop kunne producere strøm nok til de øvrige funktioner.
Simpel, men den fungerer
Prototypen er opbygget af lutter hyldevarer og i sagens natur kun udstyret med det allermest nødvendige. I stedet for højttaler skal telefonen tilsluttes ørepropper, og betjeningen klares med simple berøringsfelter suppleret af en lille rød LED, som lyser kortvarigt op, når et nummer bliver tastet.
En rigtig touchskærm ville kræve omkring 400 milliwatt energi eller over 100.000 gange mere, end prototypen med sit minimale strømkrav på 3,5 mikrowatt behøver for nuværende. På grund af den analoge simplex samtaleteknik med knapskift mellem at tale og lytte, bliver mobilsnak til en lidt walkie-talkie-agtig affære.
Men allerede næste generation af den batteriløse mobiltelefon vil både få forbedret samtalekvalitet med længere rækkevidde og kryptering af samtalerne, ligesom den angiveligt ikke vil være så følsom over for statisk elektricitet. Desuden vil næste prototype blive udstyret med et E-Ink display til bl.a. sms-beskeder simple videobilleder og måske endog et selfie-kamera.
Men selvom udfordringerne har været mange, og det første bud er af den absolut mest minimalistiske udførelse, tæller det på plussiden, at det har kostet langt mindre at bygge denne første forsøgsmodel end prisen på selv den billigst tænkelige tilbudsmobil, og hvis prototypen bliver sat i egentlig produktion, vil prisen falde yderligere. Så hvad betyder de relativt få begrænsninger i forhold til en mobil, der næsten intet koster og aldrig skal lades op?
På den anden side skal du nok ikke forvente store forskningsgennembrud, der kan gøre sådanne teknologier konkurrencedygtige fra den ene dag til den anden. Udviklingen sker gennem mange små fremskridt, der forbedrer effektiviteten løbende.
Gratis energi til salg
Selv om rigtige smartphones, der ikke behøver batteri, muligvis vil være science fiction i lang tid fremover, er der andre metoder til afskaffelse af de ”kære” genopladelige enheder. Af praktiske årsager lader vi her vindkraft og vandkraft ude af billedet, men tilbage bliver gratis energi fra sol, tryk og temperatur. Det er sol, og det er søndag Ret nærliggende vil det være at hente energien til sin mobil fra det fri gennem solceller.
Allerede nu findes der bl.a. en lang række covers med solceller udenpå, som på solrige tider kan hente strøm til et par timer (husk hele tiden at flytte og vinkle coveret undervejs). Klem mig honey, honey Piezoelektriske krystaller kan både danne energi ud af tryk og omvendt øve tryk ved tilførsel af strøm. Du kan dermed høste energi ved blot at gå. På samme måde kan energi kan også høstes fra bevægelse. For eksempel kan en svingende vægt i et armbåndsur oplade urets batteri. På den ene side varmt, men på den anden …
Varme i omgivelserne kan udnyttes ved at etablere en temperaturforskel, og indsætte et såkaldt Peltier-element, der udnytter temperaturforskelle mellem sine to sider til at skabe elektricitet. De her nævnte teknologier er dog ikke fleksible nok til at fungere under alle forhold. Det er eksempelvis svært at montere piezoelementer i et apparat, der skal bruges af mennesker med vidt forskellige bevægelsesadfærd.
På samme måde er det vanskeligt at høste energi fra et Peltier-element, hvis du ikke i forvejen har en forestilling om temperaturen i de omgivelser, du skal hente energien fra. Ud over disse tre tilgange har forskerne eksperimenteret med en række andre metoder, der eksempelvis skulle indsamle energi fra jord eller radiobølger, dog uden at de er nær så brugbare som de kendte metoder endnu.