Elen som lyser upp våra hem och driver våra apparater skapar också små magnetiska fält som finns runt omkring oss. Forskare har utvecklat en ny mekanism som kan skörda denna bortkastade magnetfältsenergi och omvandla den till tillräckligt med elektricitet för att driva nästa generations sensornätverk för smarta byggnader och fabriker.

"Precis som solljus är en fri energikälla som vi försöker skörda, så är magnetfält, sa Shashank Priya, professor i materialvetenskap och teknik och associerad vice president för forskning vid Penn State. "Vi har denna allestädes närvarande energi närvarande i våra hem, kontorslokaler, arbetsplatser och bilar. Det finns överallt, och vi har en möjlighet att skörda detta bakgrundsljud och omvandla det till användbar el."

Ett team ledd av forskare från Penn State utvecklade en enhet som ger 400 procent högre uteffekt jämfört med annan toppmodern teknologi när man arbetar med lågnivåmagnetiska fält, som de som finns i våra hem och byggnader.

Tekniken har konsekvenser för design av smarta byggnader, vilket kommer att kräva att självdrivna trådlösa sensornätverk gör saker som att övervaka energi och driftsmönster och fjärrstyrningssystem, sa forskarna.

"I byggnader, det är känt att om du automatiserar många funktioner, du kan faktiskt förbättra energieffektiviteten mycket avsevärt, " sade Priya. "Byggnader är en av de största konsumenterna av el i USA. Så till och med några procents minskning av energiförbrukningen kan representera eller översättas till megawatt besparingar. Det är sensorer som gör det möjligt att automatisera dessa kontroller, och denna teknik är ett realistiskt sätt att driva dessa sensorer. "

Forskare designade papperstunna enheter, ca 1,5 cm lång, som kan placeras på eller nära apparater, lampor, eller nätsladdar där magnetfälten är starkast. Dessa fält skingras snabbt bort från källan till strömmande elektrisk ström, sa forskarna.

När den placeras 4 tum från en rymdvärmare, enheten producerade tillräckligt med el för att driva 180 LED-arrayer, och på 8 tum, tillräckligt för att driva en digital väckarklocka. Forskarna rapporterade resultaten i tidningen Energi- och miljövetenskap .

"Dessa resultat ger betydande framsteg mot hållbar kraft för integrerade sensorer och trådlösa kommunikationssystem, "sa Min Gyu Kang, en biträdande forskningsprofessor vid Penn State och medförfattare till studien.

Forskarna använde en sammansatt struktur, lägga ihop två olika material. Ett av dessa material är magnetostriktiva, som omvandlar ett magnetfält till stress, och den andra är piezoelektrisk, som omvandlar stress, eller vibrationer, in i ett elektriskt fält. Kombinationen gör att enheten kan förvandla ett magnetfält till en elektrisk ström.

Anordningen har en strålliknande struktur med ena änden fastklämd och den andra fri att vibrera som svar på ett applicerat magnetfält. En magnet monterad i strålens fria ände förstärker rörelsen och bidrar till en högre elproduktion, sa forskarna.

"Det fina med denna forskning är att den använder kända material, men designar arkitekturen för att i princip maximera omvandlingen av magnetfältet till elektricitet, "Sade Priya." Detta möjliggör hög effektdensitet under magnetfält med låg amplitud. "

Rammohan Sri Ramdas, en biträdande forskningsprofessor vid Penn State, deltagit i forskningen.

Hyeon Lee och Prashant Kumar bidrog också, forskningsassistenter på Virginia Tech, och Mohan Sanghadasa, senior forskare vid Aviation and Missile Center, U.S. Army Combat Capabilities Development Command.

Några av teammedlemmarna i denna studie finansierades genom Office of Naval Research och de andra genom National Science Foundation.