Батареи не включены: энергия для повсеместных вычислений

В 1988 году Марк Вейзер, ведущий научный сотрудник Xerox PARC, предложил концепцию повсеместных вычислений — мира, в котором людей повсюду окружают «умные» устройства, незримо вплетенные в ткань повседневного бытия. Сегодня эти идеи постепенно становятся реальностью благодаря повышению уровня сложности оборудования для повсеместных вычислений и программного обеспечения, работающего на устройствах и системах, с которыми они соединены. Возможно, скоро окружающие нас компьютеры станут просто «невидимы» — их никто не будет замечать или они станут настолько привычными, что на них не будут обращать внимания. Но независимо от вида устройств надо снабжать их энергией, причем не создавая сложностей для пользователя, а это по-прежнему трудно. В особенности эта проблема характерна для наручных и нательных устройств: «умных» часов, беспроводных гарнитур, медицинских приборов, носимых компьютеров, поддерживающих ведение «протокола жизни», клавиатур и мышей, пультов дистанционного управления, электронных книг, цифровых камер, спутниковых навигаторов, смартфонов, беспроводных телефонов и т. д.

К счастью, ряд традиционных и новых технологий способны помочь в поисках источников энергии для осуществления мечты о повсеместных вычислениях, а пока в большинстве мобильных устройств используются перезаряжаемые ионно-литиевые батареи, и для многих оставлять свои устройства на ночную зарядку вошло в твердую привычку. Но если забыть об этом простом ритуале, то на следующий день вас могут ждать большие неудобства. Существуют также альтернативы перезаряжаемым батареям, и в связи с ростом применения повсеместных вычислений популярность некоторых из этих технологий в предстоящие годы может вырасти.

Технологии

В наручных и настенных часах, а также в ряде других устройств используются одноразовые батареи, что для мобильных устройств пока неприемлемо, поэтому сегодня около 70% применяемых в мобильных устройствах перезаряжаемых батарей — это ионно-литиевые. При сравнении различных технологий перезаряжаемых батарей можно сопоставить много факторов, включая срок службы, время разряда при неиспользовании, безопасность и цену. Но обычно пользователя прежде всего интересует емкость батареи. По этому параметру батарейные технологии сильно отстают от закона Мура — прирост в емкости всего на 5% в год считается удачным достижением. Исключения обычно присходят, только когда меняется «химия» батарей — например, после перехода на рубеже XXI века с никелевых на литиевые электроды энергетическая плотность батарей почти удвоилась.

В химию ионно-литиевых батарей регулярно вносятся небольшие изменения, результатом чего становится инкрементальное повышение емкости, но от лабораторных экспериментов до массового рынка проходят годы, прежде чем исследователи добиваются стабильности новых составов, разрабатывают технологии производства и обеспечивают соответствие нормативным требованиям к безопасности, что особенно касается батарей повышенной емкости.

Одна из интересных разработок — тонкопленочная «твердотельная» технология, потенциально способная стать основой следующего поколения перезаряжаемых батарей. Благодаря твердым электролитам эти батареи обеспечивают более высокую энергетическую плотность и позволяют шире варьировать форм-факторы. Если исследователи сумеют сделать твердотельные батареи более доступными по цене и решить проблему температурной чувствительности, то уже к концу нынешнего десятилетия появятся батареи вдвое-втрое большей емкости, чем у ионно-литиевых.

Более высокую энергетическую плотность также обещают графеновые батареи, но пока нет возможности их массового выпуска.

Еще одна перспективная технология — топливные элементы, заправляемые горючим (водородом, природным газом или метанолом), однако непрактичность ограничивает сегодня их коммерческое применение в малых портативных устройствах, но если сложности удастся преодолеть, нас также ждет качественный скачок емкости элементов питания.

Повышение удобства зарядки

Вне зависимости от емкости батареи в какой-то момент ее придется перезаряжать — без упрощения этого процесса воплотить в жизнь идею повсеместных вычислений нельзя.

Один из подходов — ускорение процесса зарядки, однако существуют фундаментальные пределы скорости преобразования электрической энергии в химическую, и попытки их преодолеть обычно приводят к сокращению срока службы батареи, снижению ее емкости, а иногда и к потере безопасности. Но проводимые сегодня исследования в области графеновых батарей со временем могут привести к ускорению зарядки.

Многообещающей альтернативой батареям являются «суперконденсаторы», которые в принципе можно использовать для снабжения энергией электронных устройств, однако, в отличие от батарей, они получают и отдают энергию очень быстро. Суперконденсаторы существуют уже больше 50 лет, но прогресс, достигнутый отчасти благодаря индустрии электромобилей, позволил вывести энергетическую плотность этих элементов на новые уровни. Пока еще плотность на порядок меньше, чем у обычных батарей, но удобство очень быстрой зарядки для некоторых применений важнее. На рис. 1 показан пример безбатарейной перезаряжаемой мыши DX-ECO компании Genius.

Рис.1. Беспроводная мышь Genius DX-ECO использует суперконденсатор

Еще один путь — упрощение процедуры перехода в режим зарядки. В этом могут помочь новшества вроде магнитов, автоматически втягивающих зарядный кабель в нужный разъем.

Альтернатива сверхбыстрой зарядке — физическая замена истощенной батареи на полностью заряженную. Замена батарей, однако, дело неудобное, особенно «на ходу». А если у вас множество устройств с батареями разных типов, приходится брать в дорогу запасные для каждого. К тому же в последнее время растет тенденция использования встроенных батарей, которые нельзя заменять. Решение предлагают такие компании, как Energizer и Revolve: портативные внешние батареи, с помощью которых можно подзаряжать мобильные устройства. На рис. 2 показан такой зарядник Energizer XP180000 с батареей на 18 тыс. мА*ч и многочисленными кабелями для зарядки смартфонов, ноутбуков и камер.

Рис. 2. От портативной внешней батареи Energizer XP18000 можно заряжать различные мобильные устройства

Работа без батарей

Возможно, идеальным решением для мобильных устройств были бы системы сбора энергии, позволяющие электронике работать вообще без батарей. В ряде исследований изучались возможности сбора энергии из различных источников: вибрации, солнца и т. п. Естественно, каждый из этих способов требует доступности того или иного вида энергии: механического движения, инфракрасного излучения или разницы температур. В беспроводных датчиках, применяемых для мониторинга промышленного оборудования, энергии вибраций или разницы температур вполне может хватать на непрерывное электропитание, но, когда источник энергии непостоянен, нужна еще система ее хранения — например, батарея или конденсатор.

Некоторые устройства могут получать энергию от самого пользователя (например, радиоприемники и фонарики с ручными электрогенераторами). С недавнего времени также начали появляться устройства, собирающие энергию от использования их самих. Например, компания EnOcean предлагает беспроводные выключатели, собирающие кинетическую энергию перемещения их собственных ползунков. На рис. 3 показано беспроводное устройство ввода Peppermill общего назначения, ротор которого при вращении одновременно служит органом управления и источником энергии.

Рис. 3. Peppermill: беспроводное устройство ввода общего назначения. Вращая его верхнюю часть, вы одновременно управляете чем-либо и даете энергию самому пульту

Передача энергии

Еще один способ снабжения энергией — ее «вливание» в окружающую среду для беспроводной передачи устройствам. Индуктивная зарядка набирает популярность благодаря прогрессу в скорости передачи энергии и начатой недавно стандартизации, обеспечившей интероперабельность зарядников от разных производителей. Однако дальность индуктивной передачи энергии ограниченна ввиду резкого падения силы магнитного поля с расстоянием, но дистанцию можно значительно увеличить, если воспользоваться способностью электромагнитного поля к самораспространению. Впервые это свойство получило широкое применение в детекторных приемниках. Основанные на единственном полупроводниковом элементе, эти устройства собирали энергию электромагнитного излучения радиопередачи. Детекторные приемники сегодня уже не применяются, но на аналогичный принцип полагаются пассивные радиометки радиочастотной идентификации, энергию которым передает антенна считывающего устройства. Специалисты Intel и Вашингтонского университета расширили концепцию RFID, создав широкопрофильную сенсорную платформу WISP (Wireless Identification Sensing Platform), которая получает энергию от радиопередатчика, обмениваясь с ним информацией. Сейчас этот проект расширяется — увеличиваются дистанция и объем передаваемой без проводов энергии. В конечном счете предполагается обеспечить возможность беспроводной доставки энергии любым мобильным устройствам в пределах помещения.

Авторы проекта VoodooIO предлагают иной способ энергоснабжения без проводов. Миниатюрные кнопочные переключатели и устройства отображения информации (рис. 4) лишены батарей, но оснащены булавочными иглами. При вставке те устанавливают электрический контакт с проводящей сеткой, которая обеспечивает обмен данными и доставляет энергию.

Рис. 4. В рамках проекта VoodooIO предложены переключатели-булавки. Когда их прикалывают к поверхности, они электрически контактируют с находящейся в ней проводящей сеткой, которая  передает  элементу энергию и получает от него информацию

В рамках проекта Networked Surfaces в физические поверхности, например в крышку стола, встраивались сетевая аппаратура и блоки питания (рис. 5), и исследователи оснащали мобильные устройства — ноутбуки, КПК и цифровые камеры — модулями, соприкасавшимися с контактами на такой поверхности для получения энергии.

Рис. 5. В проекте Networked Surfaces мобильные устройства оснащались аппаратным модулем, соприкасавшимся с контактами на твердой поверхности — например, стола

***

В стремлении воплотить в жизнь идею повсеместных вычислений легко забыть о проблеме энергоснабжения, однако пока без источника питания мобильные устройства не смогут стать по-настоящему повсеместными. Батареи совершенствуются, но лишь понемногу, однако уже сейчас есть технологии, позволяющие уменьшить неудобство использования батарей или в некоторых случаях полностью отказаться от них. В связи с разнообразием возможных применений повсеместных вычислений, эти технологии будут все активнее вытеснять преобладающие сегодня ионно-литиевые батареи.

Стив Ходжес (hodges@microsoft.com) — руководитель исследовательской группы Sensors and Devices отделения Microsoft Research в Кембридже.