متوسط یک خانوار در بریتانیا در حال حاضر به طور متوسط 21 عدد باتری در سال استفاده می کند. در مجموع، این منجر به رقم سالانه بیست هزار تا سی هزار تُن ضایعات باتریِ دارای استفاده عمومی می شود. فقط تعداد بسیار کمی از این باتری ها بازیافت می شوند (کمتر از 2٪ باتری های یک بار مصرف و حدود 5٪ باتری های قابل شارژ) و بیشتر باتری های دور اتداخته شده راهشان به محل های دفن زباله ختم می شود.
برای جلو گیری از این امر به گونه ای که همچنان گسترش اینترنت اشیاء امکان پذیر باشد، من و همکاران من در حال توسعه نوع جدیدی از سلول های خورشیدی هوشمند هستیم که می تواند با میزان نور موجود سازگار باشد، به این معنی که می تواند در داخل خانه کار کند. این سلول ها حتی می توانند از نسخه های بسیار کار آمد که معمولاً برای سفر به فضا استفاده می شوند، بهتر عمل کنند. با استفاده از الگوریتم های یاد گیری ماشین برای انجام بهترین الگوی استفاده، سلول های هوشمند به طور متناوب وارد حالت خواب می شوند تا انرژی برداشت شده را در یک میانگیر انرژی کوچک صرفه جویی کنند. آنها همچنین مبتنی بر این کشف غافلگیرانه هستند که برخی از سلول های خورشیدی وقتی که الکترولیت مایع درون آنها خشک شود می توانند بهتر کار کنند. به همین دلیل، ما آنها را "سلولهای خورشیدی زامبی" می نامیم (زامبی اشاره به مرده زنده شده دارد).
این سلول ها نوعی سلول خورشیدی "حساس به رنگ" هستند که از یک فیلم نازک از مواد ساخته شده اند و در اصل متفاوت از سلولهای سیلیکونی معمول ساخته شده هستند که پانل های خورشیدی را که با آنها بیشتر آشنا هستیم تشکیل می دهند. آنها معمولاً در بر دارنده رنگی هستند که نورها را جذب می کند و الکترون ها را آزاد می کند تا جریان ایجاد کند و سپس جریان با استفاده از محلول الکترولیت مایع به الکترودهای سلول منتقل شود.
هنگامی که الکترولیت خشک می شود، سلول به طور معمول عملکرد خود را متوقف می کند. اما این اتفاقی نیست که هنگامی افتاد که کنجکاوی علمی، محققان را هدایت کرد به اندازه گیری سلول های خورشیدی "زامبی" خشک شده ساخته شده با الکترولیت جدیدی بر پایه کامپلکس های مس. آنها دریافتند که سلول ها در واقع بهتر از زمانی که از مایعات پر شده بودند، کار می کردند.
ما در حال حاضر هنوز در حال تحقیق هستیم که چرا کامپلکس های مس جامد بهتر کار می کنند. اما علاوه بر فراهم کردن سرعت بهتر انتقال الکترون، این سلول های جدید از موادی با دسترسی بیشتری نیز استفاده می کنند و سنتز آنها آسان است. آخرین نسل سلول های خورشیدی زامبی حتی می توانند به جای نور خورشید از نور محیطی مصنوعی استفاده کنند، زیرا مانند گیاهان، بهینه سازی شده اند تا بیشترین بخشهای پر انرژی از نور مورد نظر خود را جذب کنند.
این سلول های خورشیدی داخلی حتی در هنگام اندازه کردن آنها به اندازه کارت های اعتباری یا تلفنهای همراه، بازده تبدیل انرژی سی تا سی و چهار درصدی دارند. در حقیقت این سلول ها به حدی کارآمد هستند که هر چند روز یک بار معادل یک باتری کوچک انرژی جمع می کنند.
تصویر: محقق هانس مایکلز که یک سلول خورشیدی اولیه زامبی را در دست دارد. این عکس توسط نویسنده ارائه شده است.
زامبی های هوشمند
گروه تحقیقاتی من در همکاری با تیمی به سرپرستی پروفسور آلسیو گاگلیاردی از دانشگاه فنی مونیخ ، از این محصول جدیدِ برداشت کننده انرژی نوری برای ایجاد "زامبی های هوشمند" استفاده کرده است. این دستگاه های بی سیم هستند که نور داخلی را با راندمان های بسیار بالا جمع می کنند. آنها به اندازه کافی هوشمند هستند که در هنگام انجام کارهای اساسی دستگاه های اینترنت اشیاء (ارتباطات ، پردازش و سنجش) با میزان نوری که در دسترس است سازگار شوند.
با استفاده از الگوریتم های یاد گیری ماشین برای انجام بهترین الگوی استفاده، سلول های هوشمند به طور متناوب وارد حالت خواب می شوند تا انرژی برداشت شده را در یک میانگیر انرژی کوچک صرفه جویی کنند. آنها تمایل به خواب طولانی تر در هنگام وجود نور کمتر را دارند، و در صورت وجود نور بیشتر، کارهای اصلی خود را انجام می دهند.
توانایی استفاده از منبع نور محیطی با یک چنین کارآمدب با این روش، بدان معنی است که ما می توانیم یک کلاس جدید از وسایل اینترنت اشیاء را توسعه دهیم که قبلاً کاربردی نبودند. این امر امکان ایجاد دستگاه هایی را فراهم می سازد که می توانند در بسیاری از حوزه های دیگر کمک کنند، از بسته های هوشمند که در صورت افتادن، خود را به عقب بر می گردانند، تا سنسورهای محیطی که می توانند همچنان آشکار سازی کنند حتی هنگامی که همه از اتاق خارج شده اند و دما را پایین آورده اند.
این امر همچنین می تواند برخی دستگاه ها را قادر سازد که در مقایسه با کنترل ساده از راه دور واقعاً باهوش شوند. یک مثال در این مورد، هزاران برچسب قیمت الکترونیکی است که در سوپر مارکت ها یافت می شود. آنها در حال حاضر با باتری نیرو می گیرند و تا جایی که ممکن است به ندرت به روز می شوند تا عمر باتری افزایش یابد. با وجود پنل های فتو ولتائیک داخلی، این برچسب ها می توانند به گونه ای توسعه یابند که وقتی تاریخ مصرف مواد غذایی قرار است به زودی به پایان رسد یا نیاز به فروش محصولات بیش از حد اندوخته شده وجود دارد، قیمت خود را تغییر دهند.
بدون نیاز به باتری یا اتصال به شبکه، می توانید ده ها دستگاه کوچک و حسگرهای محیطی در اطراف خانه و صدها یا حتی هزاران تا از آنها در اطراف محل های کار بزرگی مانند سوپر مارکت ها یا انبارها داشته باشید.
سلول های زامبی هوشمند ما در حال حاضر یک نمونه اولیه در مقیاس آزمایشگاه هستند. اما شرکت های دیگر قبلاً تولید سلول های خورشیدی داخلی را آغاز کرده اند. بنا بر این، در اصل، تبدیل سلول های کم نور ما به یک واقعیت تجاری می تواند خیلی سریع انجام شود.
منبع: مارینا فرِیتگ - Newcastle University
