Máy phát nhiệt điện siêu nhẹ cho các cảm biến di động

Những thiết bị, được chế tạo để thực hiện các chức năng thu thập thông tin theo dõi sức khỏe con người phải nhỏ, linh hoạt, có độ tin cậy cao và bền vững trước tác động môi trường. Các nhà khoa học thuộc Đại học Osaka Nhật Bản đề xuất phương pháp sử dụng hiệu ứng nhiệt điện, chuyển đổi chênh lệch nhiệt độ thành điện năng, được cho là giải pháp tối ưu cung cấp năng lượng cho những thiết bị nhỏ, linh hoạt.

Công trình nghiên cứu cũng làm rõ, vì sao hiệu suất thiết bị nhiệt điện không cao, chưa phát huy hết tiềm năng của hiệu ứng nhiệt điện.

Máy phát nhiệt điện có nhiều ưu điểm như tự duy trì và tự cung cấp năng lượng, không có bộ phận chuyển động, ổn định và đáng tin cậy. Năng lượng mặt trời và năng lượng dao động không có tất cả những ưu điểm này.

Hàng không và nhiều ngành công nghiệp khác hiện đang sử dụng hiệu ứng nhiệt điện trong các sản phẩm của mình. Nhưng công nghệ này chỉ được ứng dụng cho các màn hình mỏng, linh hoạt đang ở giai đoạn phát triển sơ khai. Hiện nay, nhiều nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị, dựa trên quan điểm nâng cấp, đổi mới vật liệu nhiệt điện.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã sử dụng một kỹ thuật tổng hợp tiên tiến tạo ra một máy phát nhiệt điện (TEG) trên cơ sở chất bán dẫn bismuth telluride có khối lượng 0,4g, diện tích đến 100mm2, trên một màng mỏng polymer.

Thiết bị nhiệt điện này nhẹ hơn một chiếc kẹp giấy, nhỏ hơn kích thước của móng tay người lớn. Từ thiết bị này, các nhà khoa học thu được mật độ công suất đầu ra tối đa là 185 miliwatt trên 1cm2.

Máy phát nhiệt điện siêu nhỏ dành cho các cảm biến đeo cơ động.

Yusufu Ekubaru, tác giả công trình nghiên cứu Phòng Vật liệu kết nối nâng cao, Viện Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp thuộc Đại học Osaka cho biết, máy phát nhiệt điện (TEG) là nguồn năng lượng đầy hứa hẹn để hiện thực hóa cảm biến tự cấp nguồn, thành phần chính của Internet of Things đang phát triển nhanh chóng. Các nhà khoa học đã chế tạo một mẫu thử nghiệm TEG (CF ‐ TEG) nhỏ gọn và linh hoạt sử dụng kỹ thuật gắn chip siêu mịn. 

CF ‐ TEG bao gồm 84 cặp bán dẫn được in 3D trên nền polymer mềm 10 x 10mm2, các nhà khoa học thiết lập sự chênh lệch nhiệt độ (dT) 150K cho TEG. Điện áp đầu ra tối đa và mật độ công suất thu được lần là 2,4V và 185mW/cm2, hiệu suất chuyển đổi là 1,12% tại dT = 150K.

Những kết quả thực nghiệm cho thấy ≈40% công suất đầu ra của thiết bị tiêu hao bởi các điện trở này, cho thấy các đặc tính tiếp xúc ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thiết bị TEG.

Tohru Sugahara, đồng tác giả công trình nghiên cứu này giải thích: “Cách tiếp cận của chúng tôi là nghiên cứu tiếp điểm dẫn điện, như công tắc bật và tắt thiết bị. Hiệu quả của bất kỳ thiết bị nào phụ thuộc rất nhiều vào điện trở tiếp xúc. Công suất đầu ra đáp ứng những thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho các cảm biến di động và đeo được. Nhưng các nhà nghiên cứu cần tập trung nghiên cứu giảm điện trở điểm tiếp xúc nhiệt và điện để cải thiện sản lượng điện hơn nữa".

Sáng kiến Japan’s Society 5.0, hướng tới mục tiêu hỗ trợ mọi người sống và làm việc trong một môi trường mở, đề xuất toàn bộ xã hội sẽ được số hóa. Tương lai của Internet of Thinh đòi hỏi những giải pháp hiệu quả kết nối những thiết bị của con người.

Những phát hiện mới về công nghệ cảm ứng tự cấp nguồn, trong công trình nghiên cứu khoa học của  các nhà khoa học Đại học Oskaka có giá trị thực tiễn lớn để biến giấc mơ này thành hiện thực.