Se servir du champ magnétique pour alimenter les capteurs intelligents

L’électricité qui éclaire nos maisons et alimente nos appareils génère également de petits champs magnétiques qui sont présents tout autour de nous. Les scientifiques ont mis au point un nouveau mécanisme capable de récolter cette énergie et de la convertir en suffisamment d’électricité pour alimenter des réseaux de capteurs de la prochaine génération.

« Tout comme la lumière du soleil reste une source d’énergie gratuite que nous utilisons, les champs magnétiques le sont tout autant« , a déclaré Shashank Priya, professeur de science et d’ingénierie des matériaux et vice-président associé pour la recherche à Penn State. « Cette énergie omniprésente est présente dans nos maisons, nos bureaux, nos espaces de travail et nos voitures. Elle est partout, et nous avons la possibilité de la récupérer et de la convertir en électricité utile« .

Une équipe dirigée par des scientifiques du Penn State a mis au point un dispositif qui fournit une puissance de sortie 400 % supérieure à celle des autres technologies de pointe qui traitent des champs magnétiques de faible intensité.

Cette technologie a des implications dans la conception d’immeubles intelligents, qui nécessiteront des réseaux de capteurs sans fil auto-alimentés. « Dans les bâtiments, on sait que si vous automatisez beaucoup de fonctions, vous pourriez en fait améliorer l’efficacité énergétique de manière très significative« , a déclaré Priya. « Les bâtiments sont l’un des plus gros consommateurs d’électricité aux États-Unis. Ainsi, même une baisse de quelques pourcents de la consommation d’énergie pourrait représenter ou se traduire par des économies de plusieurs mégawatts. Ce sont les capteurs qui permettront d’automatiser ces contrôles, et cette technologie est un moyen réaliste d’alimenter ces capteurs« .

Les chercheurs ont conçu des dispositifs en couche mince (plusieurs centimètres), qui peuvent être placés sur ou près des appareils, des lumières ou des cordons d’alimentation là où les champs magnétiques sont les plus forts. Toutefois, ces champs se dissipent rapidement loin de la source de courant électrique.

Lorsqu’il est placé à 10 cm d’un radiateur, l’appareil produit suffisamment d’électricité pour alimenter 180 réseaux de LED, et à 15 cm, suffisamment pour alimenter un réveil numérique. Les scientifiques ont rapporté ces résultats dans le journal Energy and Environmental Science.

« Ces résultats constituent des avancées significatives vers une alimentation durable pour les capteurs intégrés et les systèmes de communication sans fil« , a déclaré Min Gyu Kang, professeur assistant de recherche à Penn State et co-auteur principal de l’étude.

Les scientifiques ont utilisé une structure composite, en superposant deux matériaux différents. L’un de ces matériaux est magnétostrictif, ce qui convertit un champ magnétique en contrainte, et l’autre est piézoélectrique, ce qui convertit la contrainte, ou les vibrations, en un champ électrique. Cette combinaison permet au dispositif de transformer un champ magnétique en un courant électrique.

Le dispositif a une structure en forme de poutre dont une extrémité est fixe tandis que l’autre est libre de vibrer en réponse à un champ magnétique appliqué. Un aimant monté à l’extrémité libre du faisceau amplifie le mouvement et contribue à une production plus élevée d’électricité.

« La beauté de cette recherche est qu’elle utilise des matériaux connus, mais qu’elle conçoit l’architecture de manière à maximiser la conversion du champ magnétique en électricité« , a déclaré Priya. « Cela permet d’obtenir une forte densité de puissance sous des champs magnétiques de faible amplitude« .

Rammohan Sri Ramdas, professeur assistant de recherche à Penn State, a participé à la recherche.

Hyeon Lee et Prashant Kumar, assistants de recherche à Virginia Tech, et Mohan Sanghadasa, chercheur principal au Centre de l'aviation et des missiles, Commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, ont également contribué aux travaux.

Certains des membres de l'équipe de cette étude ont été financés par l'Office of Naval Research et les autres par la National Science Foundation.