Résumé :
Des équipes de recherche de l'Université de l'Arkansas et de l'Université du Michigan ont récemment démontré une nouvelle technologie. Ils ont développé un dispositif de récupération d'énergie à base de graphène qui récupère l'énergie du rayonnement électromagnétique ambiant généré par les lignes électriques environnantes et la convertit en énergie électrique pour alimenter des capteurs, permettant un fonctionnement indépendant sans batteries ni lignes d'alimentation électrique.
Les chercheurs ont utilisé cette technologie pour créer un système de surveillance de la température sans fil comprenant un récupérateur d'énergie en graphène, un circuit de conversion de puissance, un condensateur de stockage d'énergie et un capteur de température à très faible consommation. L'ensemble du système est alimenté par induction électromagnétique et peut effectuer la tâche de détection de température sans recourir aux batteries traditionnelles.
Le principe de fonctionnement est basé sur le champ magnétique changeant produit par le courant alternatif. Lorsqu'un courant électrique traverse un fil, il crée un champ magnétique autour de lui et le courant alternatif continue de changer de direction et d'intensité, libérant ainsi continuellement un champ magnétique changeant qui transporte de l'énergie. Dans le réseau électrique américain, ce changement se produit généralement jusqu’à 60 fois par seconde. L’équipe de recherche a exploité ces sources d’énergie autrement négligées pour fournir une alimentation continue à des appareils indépendants.
Pour capturer l'énergie de ce champ magnétique, les chercheurs ont utilisé du graphène pour créer des inducteurs et ont ajouté un noyau en acier pour améliorer les capacités de collecte de champ magnétique. Lorsqu'un appareil est placé à proximité d'une ligne électrique, le champ magnétique changeant autour du fil traverse l'inducteur et induit une faible tension alternative à ses bornes. Ce processus est le même principe d’induction électromagnétique utilisé par les transformateurs et générateurs traditionnels.
Cependant, les signaux électriques initialement générés ne peuvent pas piloter directement les appareils électroniques. D'une part, il s'agit de courant alternatif, alors que le capteur nécessite du courant continu ; en revanche, son niveau de tension est loin d'être suffisant. À cette fin, l’équipe de recherche a conçu un circuit de conversion de puissance basé sur un doubleur de tension Cockcroft-Walton pour redresser le courant alternatif en courant continu et augmenter progressivement la tension jusqu’à un niveau utilisable par le capteur.
Contrairement aux solutions traditionnelles, ce système n'utilise pas de piles rechargeables, mais utilise trois condensateurs pour stocker l'énergie électrique collectée. Le condensateur accumule progressivement de la charge et les chercheurs affirment que le récupérateur d'énergie reconstitue l'énergie plus rapidement que le capteur de température ne la consomme, permettant ainsi au système de maintenir un fonctionnement à long terme.
Même après augmentation de la tension et stockage d'énergie, l'échelle de puissance obtenue de cette manière reste très petite. Afin de s'adapter à cette limitation, l'équipe de recherche a spécialement conçu un capteur de température à très faible consommation dont la consommation d'énergie se situe uniquement au niveau du nanowatt, soit un milliardième de watt. Selon les rapports, l'appareil consomme environ 30 millions de fois moins d'énergie qu'un casque AirPods.
Les chercheurs ont déclaré que même si l'inducteur en graphène ne collecte pas l'énergie rapidement, elle est néanmoins suffisante pour reconstituer continuellement l'énergie stockée dans le condensateur. Tant qu’il y a une source suffisante d’énergie électromagnétique à proximité, le système peut théoriquement fonctionner indéfiniment. Dans le même temps, le condensateur peut également stocker l'excès d'électricité, de sorte que même si l'alimentation électrique environnante est temporairement interrompue, l'appareil peut continuer à fonctionner. Selon l'estimation de l'équipe, la charge stockée peut permettre au capteur de fonctionner pendant au moins 24 heures et, dans certains cas, elle devrait même durer environ une semaine.
Le professeur Paul Sibado, responsable de la recherche, a souligné que même si la vitesse à laquelle l'inducteur recharge le condensateur est lente, elle reste supérieure à la vitesse à laquelle le capteur consomme de l'énergie. Par conséquent, même après une panne de courant, le système peut continuer à fonctionner pendant une période plus longue avec l’énergie stockée dans le condensateur.
L'équipe de recherche estime que cette technologie est bien adaptée aux réseaux de surveillance de la température dans les grandes installations industrielles. Des milliers de capteurs doivent souvent être déployés autour des usines, des systèmes de canalisations et de divers équipements mécaniques. Les solutions traditionnelles nécessitent soit un câblage d'alimentation complexe, soit un remplacement fréquent de la batterie. Avec l’adoption de nouvelles technologies, un grand nombre de capteurs devraient fonctionner longtemps sans câbles ni entretien de batterie.
Cependant, les chercheurs ont également souligné les limites de la technologie. Premièrement, l’appareil doit être situé à proximité d’un champ magnétique changeant suffisamment puissant pour qu’il ne puisse pas générer d’électricité à partir de rien, quel que soit l’environnement. Deuxièmement, les expériences actuelles n’ont pas prouvé que le système peut démarrer tout seul dans un état de consommation totalement nulle. Pendant le processus de test, le condensateur doit être préchargé et le processeur doit être programmé à l'avance. De plus, la puissance de sortie du système est extrêmement faible et ne peut actuellement piloter que des capteurs à très faible consommation spécialement conçus, ce qui n'est pas suffisant pour alimenter des appareils électroniques ordinaires tels que les smartphones.
Néanmoins, l'équipe estime que cette réalisation ouvre une direction importante pour le développement de capteurs auto-alimentés à l'avenir. En plus de la surveillance de la température, des technologies similaires peuvent également être utilisées dans de nombreux domaines tels que le suivi des produits, la surveillance de l'environnement atmosphérique, la gestion de la flotte logistique, la surveillance des sols, les appareils de santé portables et le suivi médical.
Dans le même temps, les chercheurs explorent également l'utilisation de l'énergie acoustique, de l'énergie non linéaire, de l'énergie solaire, de l'énergie thermique, de l'énergie cinétique et d'autres sources de rayonnement environnemental pour produire de l'électricité, dans l'espoir de développer à terme un système de capteurs autonome capable d'obtenir simultanément de l'énergie à partir de plusieurs sources d'énergie environnementales pour obtenir un fonctionnement véritablement à long terme et sans entretien.
Des résultats de recherche pertinents ont été publiés dans le Journal of Vacuum Science and Technology.
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