De toekomst is een luchtkasteel

The Wall Street Journal / 360  | 27 december 2018 - 15:0027 dec - 15:00

‘Smart dust’ is binnen bereik: piepkleine sensoren die energie uit de lucht kunnen halen. Ze bieden allerlei mileuvriendelijke mogelijkheden. Maar het wordt ook een koud kunstje om overal miniscule bewakingscamera’s te plaatsen.

Het idee van een perpetuum mobile, een apparaat dat eeuwig blijft bewegen als het eenmaal in gang is gezet, slaat nergens op. De energie die zo’n apparaat nodig heeft, moet ergens vandaan komen. Maar een nieuwe variatie 
op dat oude idee, een superzuinig apparaat dat zijn energie aan de omgeving onttrekt, is geen hersenspinsel meer. Sommige mensen spreken al van perpetuum-computers. Zo’n apparaat dat energie uit 
de lucht haalt hoeft nu al niet groter te zijn dan drie stuivers op elkaar. En er is geen natuurwet die verhindert dat ze ooit zo klein worden dat we ze overal in kunnen stoppen. Stel je voor: piepkleine sensoren die geluid, trillingen, chemicaliën, licht of beweging waarnemen en niet afhankelijk zijn van netstroom of batterijen.

De eerste generatie zullen onopvallende, zelf rekenende sensoren zijn met draadloze zendertjes met een bereik tot wel een kilometer. De eerste toepassingen waaraan gedacht wordt, worden nu vaak al uitgevoerd door hun broertjes op batterijen of netstroom: de sensoren die gebruikt worden in ‘slimme’ fabrieken, huizen en wearables. Uiteindelijk denken deskundigen dat deze piepkleine apparaatjes met hun onuitputtelijke energie ons in staat zullen stellen om dingen te doen die nu nog niet mogelijk zijn. Overal waar we willen piepkleine bewakingscamera’s plaatsen bijvoorbeeld. Of elke vierkante meter van een boerderij volhangen met sensoren.

Of onze auto’s en huizen volstouwen met sensoren die zowel onze veiligheid als de efficiëntie van onze kostbaarste bezittingen verhogen. Er bestaat al een term voor zulke potentieel alomtegenwoordige sensoren: ‘smart dust’ (slim stof). Eerst moeten er nog wel wat hindernissen worden genomen. De meeste van de huidige microchips 
verbruiken nog te veel energie om zonder opladen 
te kunnen blijven draaien. En de nieuwe technologie om ze zelfvoorzienend te maken staat in de kinderschoenen: de precieze prestaties en levensduur daarvan zijn nog onbekend. En zijn die problemen eenmaal opgelost, dan rijzen er waarschijnlijk vragen over het privacyaspect van microscopisch kleine 
sensoren die altijd aanstaan.

Ruimte voor verbetering

Smart dust komt nu binnen bereik doordat elektronica dankzij nieuwe technieken steeds minder energie nodig heeft. ‘Wat stroomverbruik betreft heeft micro-elektronica ten opzichte van ENIAC [een van de eerste elektronische computers ter wereld] inmiddels een energie-efficiëntie die meer dan een biljoen maal zo hoog is,’ zegt Joshua R. Smith, als hoogleraar aan de universiteit van Washington gespecialiseerd in energiezuinige systemen en draadloze communicatie.

MOGEN WE EVEN JE AANDACHT?
Dit artikel krijg je van 360 cadeau. We geloven dat internationale context leidt tot een beter begrip van de wereld om ons heen. Het biedt nieuwe invalshoeken op een werkelijkheid die overal anders is. Bovendien maken we relevante, originele en mooie verhalen graag toegankelijk voor een groot publiek. Deel dit artikel als onze missie je aan het hart gaat. Of, nog beter, sluit je aan bij 360 met een (proef / cadeau) – abonnement. Doneren kan ook als je niet genoeg tijd vindt om te lezen, maar 360 wil steunen in haar voortbestaan.
Bedankt

Er is al een hele sector van bedrijfjes die chips met een minuscuul energieverbruik maken. Startups zoals Ambiq Micro, gespecialiseerd in wearables, sensoren en smartcards, en PsiKick, dat met zijn eigen zuinige chips voor de industrie batterijloze ‘internet of things’-netwerken bouwt. De processor in je smartphone verbruikt ongeveer één watt, maar het stroomverbruik van sommige van deze chips wordt gemeten in microwatts: één miljoenste daarvan. Er zijn nu ook betere manieren om energie aan de omgeving te onttrekken.

Enkele startups werken 
aan draadloze communicatiesystemen die zo weinig stroom nodig hebben dat de veldeenheden hun 
energie kunnen halen uit de communicatie met het basisstation. Die techniek wordt al gebruikt in RFID-chips: die reageren op het draadloze signaal van een RFID-lezer door hun unieke ID-nummer terug te kaatsen. Maar de ontwikkeling van RFID is tot stilstand gekomen, terwijl er nog ruimte voor verbetering is, aldus Gregory Durgin, hoogleraar op het gebied van draadloos opladen aan het Georgia Institute of Technology. ‘We zitten nog lang niet aan de fysieke grens van wat mogelijk is met de energiewinning uit radiofrequenties door computers en communicatieapparatuur,’ zegt hij.

Een veelbelovende ontwikkeling is zogenaamd passieve wifi, die gebruikmaakt van ‘backscatter’-communicatie. Dat werkt als een soort spiegel, maar dan een spiegel die berekeningen kan uitvoeren op het licht dat erin wordt weerkaatst: passieve wifi-elementen kaatsen een signaal terug dat is gewijzigd door de energiezuinige elektronica waarvan ze deel uitmaken. Joshua Smith is een van de oprichters van de startup Jeeva Wireless, die pioniert met extreem energiezuinige communicatie over lange afstanden voor industrieel gebruik, zoals omgevingssensoren op boerderijen en tal van andere toepassingen.

Een andere veelbelovende energiebron voor smart dust is warmte. Het is allang bekend dat een temperatuurverschil tussen twee zijden van bepaalde materialen elektriciteit kan genereren. Zo loopt de MATRIX PowerWatch van Matrix Industries op de lichaamswarmte van de drager. Sinds de oprichting in 2011 heeft Matrix al voor 30 miljoen dollar aan investeringen opgehaald, onder meer bij 3M. Het bedrijf beschikt momenteel ook over technologie voor sensoren die hun eigen energie opwekken in fabrieken waar bijvoorbeeld ketels en motoren veel warmte produceren.

En het Pakistaanse energiebedrijf The Hub Power Company wil de betrouwbaarheid van zijn energiecentrales verhogen door trillings- en warmtegegevens draadloos te verzamelen en naar General Electric te sturen, dat dan onderhoudsadviezen kan geven. Maar honderden sensoren stuk voor stuk van nieuwe batterijen voorzien of op het lichtnet aansluiten is erg arbeidsintensief, zegt Aly Khan, een van de directeuren van Hub Power. Toen de directie van het bedrijf hoorde over de technologie van Matrix, besloten ze die te proberen. Ze zijn nu bezig om de beloofde prestaties te verifiëren en willen de sensoren volgend jaar bij één centrale in gebruik nemen, om de techniek later naar andere locaties uit te rollen.

Matrix werkt ook aan een systeem om stroom te genereren uit de temperatuurverschillen tussen dag en nacht, zegt directeur en medeoprichter Akram Boukai. Een dagelijkse temperatuurschommeling van tien graden kan gemiddeld vijf tot tien milliwatt opleveren. Dat is genoeg om een keur aan sensoren van stroom te voorzien en hun data om de vijf à tien minuten naar een zendmast te sturen.

De omvang van het apparaat dat energie opwekt uit temperatuurverschillen illustreert een van de vele hindernissen bij de ontwikkeling van smart dust: het is ongeveer zo groot als de Amazon Echo-speaker, al hoopt Matrix de omvang te kunnen terugbrengen tot die van een colablikje. Maar thermo-elektrische generatoren moeten nog een stuk kleiner worden om in huis rondgestrooide microsensoren te kunnen aandrijven. Wel zijn er nu al tal van toepassingen waarbij de omvang van een colablikje geen probleem is, en nog meer voorbeelden van warme objecten die genoeg energie genereren voor kleinere sensoren die niet groter zijn dan een munt.

Zo produceren koeien meer dan genoeg lichaamswarmte om een eigen draagbare gezondheidsmonitor ter grootte van een horloge van stroom te voorzien. (En geloof het of niet, maar veel boeren hebben al in zulke wearables voor koeien geïnvesteerd.) En spionnen die de vijand willen afluisteren, hoeven niet langer hun leven te wagen om achter de vijandelijke linies de batterij in een microfoontje te vervangen.

De verdere verbetering van deze technologie, die er volgens Gregory Durgin van Georgia Tech absoluut aankomt, leidt misschien niet alleen tot nieuwe 
toepassingen, maar ook tot herinrichting van de bestaande en nog grotendeels bekabelde wereld. Zo bevat een auto gemiddeld zo’n 25 kilo aan kabels. 
Dat kan waarschijnlijk een heel stuk minder door de inzet van draadloze sensoren die zichzelf van stroom voorzien.

En slimme woningen kunnen worden ingericht zonder alle kabels en stroomvoorzieningen die ze momenteel vereisen. Maar zo mooi als dit allemaal mag klinken, deze technologie kan ook worden gebruikt voor de ontwikkeling van onverslijtbare peilzendertjes, microfoontjes of cameraatjes om aan onze persoon of onze auto te hangen – of waar je maar wil. Niemand heeft de ontwikkeling van zulke apparaatjes nog aangekondigd, maar de grote kans dat ze er gaan komen is wel iets om bij stil te staan.

Auteur: Christopher Mims

Wall Street Journal
Verenigde Staten | dagblad | oplage 2.000.000

De bijbel voor zakenmensen. Maar bij het lezen is enig beleid vereist: naast reportages van hoge kwaliteit drukt de krant hoofdredactionele commentaren af die zo patriottisch zijn dat ze hun geloofwaardigheid verliezen.

Plaats een reactie