Al decenia, onderzoekers zijn op zoek naar een betere batterij. Nu presenteert een internationaal team een ​​gedurfde nieuwe oplossing:de batterij helemaal weggooien.

Onder leiding van de Northwestern University en de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in Nederland, de onderzoekers hebben een nieuw systeem ontworpen en ontwikkeld waarmee batterijloze apparaten de tijd kunnen bijhouden tijdens periodieke stroomuitval, het oplossen van een kritiek probleem dat het onderzoek in het veld heeft belemmerd.

veel kleine, batterijloze Internet of Things (IoT)-apparaten zouden kunnen werken door omgevingsenergie te oogsten, zoals zonne-, kinetisch en thermisch vermogen. Indien volledig aangenomen, het gebruik van deze apparaten zou voorkomen dat biljoenen gebruikte batterijen op stortplaatsen terechtkomen. Maar omdat ze schakelen tussen stroombronnen, batterijloze apparaten hebben notoir vaak last van, korte vermogensverliezen.

"Van nature, het verwijderen van batterijen heeft gevolgen, " zei Przemyslaw Pawelczak van de TU Delft, die het onderzoek mede leidde. "Het betekent een lagere opslagcapaciteit en een lagere betrouwbaarheid. Energie die wordt geoogst uit de omgeving is niet altijd voorspelbaar."

"We hebben dit omarmd en een systeem gebouwd dat gefragmenteerde uitvoeringsperioden aan elkaar rijgt, " zei Josiah Hester van Northwestern, die het onderzoek mede leidde. "We hebben een op maat gemaakt systeem gebouwd dat betrouwbaar de tijd bijhoudt ondanks talloze stroomstoringen en onderbrekingen voor elk IoT-apparaat."

Hester en Pawelczak presenteerden hun werk dit voorjaar virtueel op de jaarvergadering Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) 2020. Het team presenteerde twee papers:een die hardware schetst voor het nieuwe tijdwaarnemingscircuit en een ander dat aantoont dat het circuit kan worden gebruikt om batterijgevoede apparaten om te zetten in batterijloze apparaten.

Hester is een assistent-professor informatica en elektrische en computertechniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Pawelczak is universitair docent bij het Embedded Software Lab van de TU Delft.

De tijd staat aan onze kant

Tijdregistratie is een van de meest essentiële bronnen voor elk computersysteem. Onderliggend aan bijna alle systeemdiensten en beveiligingsfuncties, tijdwaarneming helpt de computer om actieve toepassingen bij te houden. De meeste mensen, echter, merk de tijdfunctie pas op als deze niet meer werkt.

Als u ooit de stroom hebt uitgevallen terwijl u aan uw computer werkte, bijvoorbeeld, dan ken je de pijn van het proberen om het systeem opnieuw op te starten. Het kan enkele minuten duren voordat de computer opnieuw is opgestart, omdat hij moet onthouden waar u was gebleven en een lijst met bewerkingen moet doorlopen. En dan, zelfs als de computer weer aan staat, elk niet-opgeslagen werk kan verloren gaan.

Als dit elke keer zou gebeuren als een klein IoT-apparaat, zoals een smartwatch, fitness-tracker, beveiligingscamera, slimme thermostaat of medische sensor—kortstondige stroomuitval, deze apparaten zouden in wezen nutteloos zijn.

Dat is het mooie van het systeem van Hester en Pawelczak. Een klein apparaat kan kortstondig stroom verliezen, maar het verliest nooit zijn gevoel voor tijd. Dat betekent dat het zo snel opnieuw kan opstarten dat u misschien niet eens merkt dat het apparaat in de eerste plaats stroom heeft verloren.

"Ons apparaat maakt een snelle reconstructie van tijd en toestand mogelijk van 'broodkruimels' die we achterlieten die we achterlaten voor een stroomstoring, ' zei Hester.

Batterijen omzeilen

Hester en Pawelczak worden gemotiveerd door hun overkoepelende doel om het aantal lithium-ionbatterijen dat elk jaar in het milieu terechtkomt te verminderen. Niet alleen is lithiumwinning ongelooflijk energie- en waterintensief, lithium is een ontvlambare, giftig materiaal dat zelfs vlam kan vatten in recyclingfabrieken.

Grote technologiebedrijven schatten nu dat we de komende 50 jaar biljoenen meer IoT-apparaten kunnen zien. Dat zijn veel gebruikte en uiteindelijk afgedankte batterijen.

“Werken aan batterijloze energieoogstsystemen is vanzelfsprekend, gezien de milieu-impact die batterijen met zich meebrengen, " zei Pawelczak. "We weten niet het exacte aantal nieuwe apparaten dat zal verschijnen, maar niemand twijfelt eraan dat het enorme aantal apparaten enorm is en dat steeds meer consumentenelektronica op batterijen zal werken. Deze batterijen moeten worden vervangen en later worden gerecycled, dus we moeten een systeem ontwikkelen dat de ecologische voetafdruk van elektronica verkleint."

"Als we hopen een visie op computers te hebben die duurzaam is, dan moeten we heroverwegen hoe we deze systemen ontwerpen, " Hester voegde toe. "Onze technologie zal het ontwerp van de volgende biljoen apparaten informeren en IoT mogelijk maken dat praktisch is, schaalbaar en nuttig."