Vil fjerne batteribehovet til mange små, trådløse systemer

Prosjektet er tildelt seks millioner i støtte fra Forskningsrådet og har som mål å muliggjøre et langt lavere strømforbruk i IoT-systemer.

Tingenes internett, som allerede er i ferd med å bli en realitet, innebærer store muligheter. Når enheter er koblet sammen i nett, kan de kommunisere med hverandre og omgivelsene, og det er mulig å fjernstyre dem og samle inn data på en måte som tidligere ikke var mulig.

Et kjøleskap kan selv kontakte butikken og bestille melk, når det registrerer at det snart er tomt. Lys og temperatur i hjemmet og på kontoret kan fjernstyres via apper. Eksemplene er mange.

Tingenes internett gir muligheter både til å spare tid og kostnader, og nye digitale tjenester kan utvikles.

Dagens trådløse nettverk har likevel en alvorlig svakhet.

De batteridrevne sensorene går tomme for strøm etter altfor kort tid. Det er håndterbart med noen få enheter, men ikke når man installerer hundrevis eller tusenvis av dem.

Ved å mangedoble sensorens batterilevetid og samtidig gi brukeren større fleksibilitet i bruken, blir løsningen plutselig skalerbar, og man kan ta i bruk mange flere sensorer.

Lanserer strømbesparende mikrobrikke

Administrerende direktør Tore Irgens Kuhnle i norske Nanopower forteller til digi.no at prosjektet med USN er en videreføring og utvidelse av en teknologiutvikling som Nanopower har gjort over flere år.

– I 2023 kommer vi med en brikke som kraftig reduserer strømforbruket til trådløse enheter for typiske industrielle applikasjoner, forteller han.

– Dette gjør vi ved å designe brikken for å operere i det såkalte «subthreshold»-regimet, hvor spenning og strøm er under de nivåene som er nødvendige for konvensjonelle design. Samtidig har vi kapasitet til å slå av mikrokontrolleren og overta oppgavene til denne.

Systemet gjør det mulig å opprettholde kommunikasjon og styring av sensorer, samtidig som det kan respondere på sensoravlesninger eller andre hendelser.

– Dermed blir det mulig å lage systemer som kan operere på nanowatt over lengre perioder, forklarer Kuhnle.

Nanopower-sjefen forteller at de fleste trådløse brikker og mikrokontrollere på markedet har høye krav til ytelse når de er aktive, noe som gjør dem ganske ineffektive når det skjer lite. Dette er noe selskapet allerede har jobbet med en stund, og de har produsert, testet og verifisert at det er mulig å oppnå både ytelse og funksjonalitet.

Nanopowers brikke er allerede under patentbehandling. Selskapet har en patentsøknad inne, og den står foreløpig på «patent pending», men det er på prinsipp og funksjonsnivå. Kuhnle forteller at det ikke er vanlig i bransjen å patentere

– Selv om det finnes en patentsøknad, og vi har prototyper og et team som har jobbet med dette over tid, innebærer «subthreshold»-design alltid utfordringer som krever tid og fundamental forståelse for å oppnå stabile og robuste løsninger, forklarer han.

Bruk av energihøsting

Til tross for at Nanopower allerede sitter på en løsning, håper de å kunne videreutviklet løsningen gjennom samarbeidet med USN. Parallelt med det pågående løpet og lanseringen av brikken neste år, har selskapet et viktig område de ønsker å gjøre utvikling rundt.

– Noe av det viktigste er integrasjonen av vår teknologi med «energy harvesting», eller energihøsting, et område hvor USN har dyp kunnskap, forteller han.

Energihøsting innebærer at energi hentes fra eksterne kilder, fanges opp og lagres i små trådløse, autonome enheter, slik som de som brukes i bærbar elektronikk og trådløse sensornettverk.

Kuhnle forteller at Nanopower først og fremst tenker på laveffekts-energihøsting som radiobølger og lignende. Det finnes teknologier tilgjengelig i markedet i form av komponenter, men Kuhnle påpeker at dagens systemer ikke oppnår meningsfull nettotilførsel av energi sammenlignet med tap og forbruk.

– Konsekvensen er at det enten implementeres flere typer energihøsting, at det kun fungere med «harvesting»-teknologier som har større effekt, eller at energihøsting blir et tilskudd som forlenger batterilevetiden, legger han til.

Elektrisk energi fra omgivelsene

Nanopower samarbeider med Innovasjonssenteret for mikrosystemer, nanoteknologi og elektronikk ved Universitetet i Sørøst-Norge. Leder for senteret, førsteamanuensis Lars-Cyril Blystad, har store forventninger til prosjektet og tror det kan bidra til ikke bare å redusere batteribehovet i trådløse systemer, men eliminere det helt.

– Vi skal arbeide med energihøstingen og energihøstingssystemer som kan integreres i systemene, forteller han til digi.no.

USN-forskeren peker spesielt på at vibrasjoner kan utnyttes til å produsere elektrisk energi. Han minner om at når Nanopowers løsning kan bidra til å redusere effektforbruket med hele 90 prosent, skal det ikke så veldig mye til for å dekke resten.

– Vi trenger jo ikke den store effekten, og jeg tror vi kan høste nok energi fra omgivelsene, sier han.

Alle steder der man har vibrasjoner, kan man gjøre dem om til elektrisk energi. I tillegg tror Blystad det er mulig å utnytte termiske variasjoner, eller temperaturendringer, som også kan brukes til å produsere små mengder av strøm.

Radiostråling, som vi har rundt oss hele tiden, kan ifølge ham også utnyttes til å produsere elektrisk energi. Blystad har ekstra stor tro på utnytting av vibrasjoner.

– Vibrasjoner har vi jobbet mye med her, og det har vi god kompetanse på, forteller han.

Kan eliminere batterier

I tillegg til energihøsting, skal senteret også bidra til prosjektet med å vurdere materialegenskapene som Nanopower bruker i kretsen sin, og hvordan disse påvirker effekten i signalene. Blystad forteller at det ikke er snakk om å finne nye materialer til kretsen, men hvordan man kan utnytte de materialene vi har i dag, for å sikre best mulig effekt.

– Vi vil se på hvordan strømmen går og utnytte de effektene vi har best mulig, legger han til.

USN-forskeren har tro på at det er mulig å eliminere helt behovet for batterier i trådløse systemer.

– Når sensorer ikke sender hele tiden, kan man bruke tiden til å samle opp nok energi til å gjennomføre transmisjonen. Dette har vi tro på er mulig å få til, fastslår senterlederen fra USNs Campus Vestfold.