I stedet for å la disse små rystelsene forsvinne, undersøker forskere hvordan de kan omdannes til elektrisitet. Det skjer gjennom teknologier som reagerer på bevegelse, bøyning eller trykk, og som klarer å generere små, men stabile mengder strøm.
Forsker Claudia Pavez-Orrego i SINTEF.
– Det som gjør teknologien så spennende, er at vi kan hente energi fra bevegelser som allerede finnes rundt oss. Vibrasjonene er der uansett, og vi kan gjøre dem nyttige, sier SINTEF forsker og prosjektleder for EVIBES, Claudia Pavez-Orrego.
Prosjektet undersøker hvor ulike vibrasjonskilder finnes, hvordan de varierer, og hvilke teknologier som best kan omdanne dem til energiproduksjon. Målet er å utvikle energieffektive og tilgjengelige løsninger som kan brukes internasjonalt, spesielt der små mengder strøm kan gjøre en stor forskjell for overvåking og sikkerhet.
Hvordan fungerer dette i praksis?
Det grunnleggende prinsippet bak vibrasjonsdrevet energi er enkelt: bevegelse kan omdannes til elektrisitet. Dette skjer hovedsakelig på to måter. Den ene er gjennom piezoelektriske materialer, som lager spenning når de bøyes, strekkes eller komprimeres.
Den andre er elektromagnetisk induksjon, der elektrisk strøm oppstår når en magnet beveger seg forbi en strømleder. I praksis skapes denne relative bevegelsen mellom magnet og leder av vibrasjonene fra energikilden. Alle typer strømledere kan brukes, men kobbertråd er vanligst, fordi materialet leder strøm svært godt.
Begge metodene kan gjøre om kontinuerlige vibrasjoner til små energimengder. Ikke mye, men nok til sensorer, målesystemer og utstyr som må fungere døgnet rundt uten tilgang til strømnett eller hyppig batteribytte.
Vi blir stadig mer avhengige av sensorer
En av de største fordelene med vibrasjonsdrevet energi er at kilden aldri forsvinner. I bymiljøer skapes det konstant små rystelser fra trafikk, byggearbeid og kollektivtransport. I naturen finnes det en kontinuerlig bakgrunnsstøy av geologiske bevegelser som vi ikke merker, men som teknologien kan utnytte. Fordi vibrasjoner er både utbredte og stabile, blir de en svært tilgjengelig og væruavhengig energikilde.
Denne dingsen fanger vibrasjoner – og gjør dem om til energi. Foto: Emma Sæther
Samfunn blir stadig mer avhengige av sensorer. Dagens infrastruktur og samfunnsliv baserer seg på store mengder data. Broer, tunneler, bygninger, vannsystemer og naturterreng overvåkes med sensorer som må fungere kontinuerlig. For mange av disse er batteribytte upraktisk eller risikabelt. Vibrasjonsdrevet energi kan gjøre slike enheter selvforsynte og dermed redusere behovet for vedlikehold og samtidig øke driftssikkerheten.
Teknologien kan brukes der det ikke finnes strøm, for eksempel i regioner som mangler stabil tilgang til elektrisitet.
Her kan selv små mengder energi være svært verdifulle. Vibrasjonshøstere kan drive sensorer som overvåker miljø, naturfare, jordskjelvaktivitet eller vannkvalitet, selv i områder der strømnett og batteriforsyning er urealistisk.
Fra teori til virkelighet
Arbeidet startet med å kartlegge ulike typer vibrasjonskilder, fra naturlige vibrasjoner som jordskjelv til menneskeskapte vibrasjoner fra for eksempel gruvedrift eller trafikk. Deretter utviklet forskerne modeller av vibrasjonshøstere basert på piezoelektrisitet eller elektromagnetisk induksjon, og finjusterte dem ved hjelp av omfattende datasimuleringer. Til slutt ble det laget og testet prototyper i en vibrasjonsrigg i laboratoriet som kan etterligne vibrasjoner slik de faktisk opptrer i virkeligheten.
– Å forstå hvordan denne teknologien fungerer i laboratoriet er én ting. Å få den til å fungere ute i felt er noe helt annet. Vibrasjoner varierer enormt mellom bykjerner, fjellområder, industriområder og seismisk aktive soner. Derfor er det helt avgjørende å teste teknologien i ulike miljøer, sier SINTEF forsker Nikolai Helth Gaukås.
Liten energimengde med stor betydning
Vibrasjonshøsting er ikke ment å erstatte sol-, vind- eller vannkraft. Disse etablerte teknologiene er langt mer effektive der de kan brukes. Men som et supplement kan vibrasjonshøstere spille en viktig rolle i den grønne omstillingen.
Det grunnleggende prinsippet bak vibrasjonsdrevet energi er enkelt. Bevegelse kan omdannes til elektrisitet. Her gjennomføres forsøk i laben hos SINTEF. Foto: Emma Sæter
Ifølge forskerne er teknologien særlig nyttig på steder der sol, vind og vannkraft ikke er tilgjengelig, for eksempel dypt inne i gruver, under bakken i CO2-lagringsanlegg, på havbunnen eller inne i lukkede konstruksjoner. I slike miljøer kan vibrasjonshøsting gi mer bærekraftig overvåking av infrastruktur, forlenge levetiden til sensornettverk, redusere behovet for batterier og sikre mer robuste systemer der strømtilgangen er begrenset eller ustabil.
Tar teknologien ut i verden
I prosjektet samarbeider forskerne i SINTEF med kolleger ved Uppsala universitet i Sverige og Universidad de Chile.
Så langt har forskerne utviklet to ulike prototyper. Forskergruppen i Chile har laget en energihøster som bygger på elektromagnetisk induksjon, mens SINTEF har utviklet en variant som bruker piezoelektriske materialer. Nå nærmer prosjektet seg slutten, og resultatene fra mange timer med datasimuleringer og laboratorietester skal prøves ut i felt.
– Det blir spennende å se om resultatene vi har fått med vibrasjonsriggen lar seg gjenskape i den virkelige verden. Vi har allerede god overensstemmelse mellom datasimuleringene og vibrasjonstestene vi har gjort på laboratoriet i Oslo, så nå mangler vi bare å vise at teknologien fungerer i felt, sier SINTEF forsker Didrik Småbråten, som har hovedansvar for datasimuleringsarbeidet ved SINTEF i prosjektet
I siste fase skal teknologien møte svært ulike omgivelser, blant annet i lokalsamfunnet Cuya nord i Chile. Dette gir forskerne mulighet til å se hvordan energihøsterne oppfører seg under faktiske forhold og med helt forskjellige vibrasjonskilder.
Først på prioriteringslista er å drive en mikrosensor, f.eks. en enkel trykk- eller gass-sensor. Hvis dette lar seg gjøre kan man inkludere mer energi-krevende elektronikk, som telemetri, altså data-sendere.
Geotermisk energi skaper naturlige vibrasjoner. Energien kan fanges og brukes i sensorer som befinner seg i dypet – og som ikke har tilgang til strøm. Dette er anlegget Bjarnarflag Geothermal Power Plant på Island. Foto: iStock
På sikt er målet til forskerne å gjøre teknologien så robust at den kan brukes til å drive ulike sensorer på steder der vibrasjoner er spesielt tydelige og kontinuerlige. Det gjelder områder med naturlige jordskjelv, steder med kontrollert seismisk aktivitet som ved CO2 injeksjon, samt anlegg for gruvedrift og geotermisk energi.
– Fordi prosjektet EVIBES er finansiert gjennom Global Research Council sitt program for FNs bærekraftmål, har prosjektet også et tydelig samfunnsoppdrag. En viktig del av arbeidet er å utvikle teknologi som kan komme lavinntektssamfunn til gode. Derfor har en av grunnprinsippene i prosjektet vært å gjøre teknologien så kostnadseffektiv som mulig. Dette blir også et fokus videre. Drømmen er å utvikle noe som kan gjøre hverdagen til beboere i lavinntekts-samfunn bedre, avslutter Pavez Orrego.
