Uuden ajan ikiliikkujat
Kim Leidenius
Uuden ajan ikiliikkujat
Lukemattomilta digilaitteilta uhkaa loppua virta, elleivät ne opi hankkimaan tarvitsemaansa energiaa itse.
Tietokoneiden määrä kodeissa kasvaa, mutta vielä nopeammin lisääntyvät yhteen asiaan keskittyneet digilaitteet eli niin sanottu sulautettu elektroniikka. Vuodessa valmistetuista yhdeksästä miljardista suorittimesta vain pieni osa päätyy mikroihin, kymmenen vuoden kuluttua osuus putoaa alle promillen.
Puhelinten, mediasoittimien ja navigaattorien ohella prosessoreita kylvetään pelloille valvomaan mullan happamuutta ja valetaan betoniin seuraamaan rakenteiden kuntoa. Autonrenkaiden sisällä ne seuraavat rengaspaineita ja vaatteissa ne keräävät tietoa kantajansa terveydentilasta. Ensi vuosikymmenen lopussa näitä laitteita arvioidaan olevan satoja miljardeja.
Laitteet liittyvät toisiinsa langattomasti, joten niiden sijoittaminen on teoriassa vapaata. Vapaudella on kuitenkin rajansa silloin, kun elektroniikka on kytkettävä sähköverkkoon. Piirien määrän kasvaessa akkujen lataamisesta tulee mahdotonta ja paristot taas kielletään ympäristökuormituksen vuoksi.
Valokenno korvaa paristot
Elektroniikan kutistuminen on pakottanut suunnittelijat kehittämään virtapihejä ratkaisuja, jotta laitteet eivät sulaisi. Nykytekniikalla muutama milliwatti riittää tiedonkeruulaitteelle, joka pyörittää yksinkertaista diagnostiikkaohjelmaa ja välittää tiedot langattomasti eteenpäin.
AA-kokoisessa sormiparistossa on virtaa 2,85 ampeerituntia, kun jännitteen sallitaan pudota 0,8 volttiin. Tällainen paristo pitäisi esimerkkilaitteemme käynnissä runsaat sata päivää. Pariston kokoa kasvattamalla ylletään kolmeen vuoteen, mutta itsepurkautuminen rajaa käyttöaikaa. Lisäksi pattereiden lämpötila-alue on kapea. Ne kestävät huonosti Suomen talvea eikä lämpötila toisaalta saisi nousta yli 50 asteen.
Kypsin tapa korvata paristot ilmaisella energialla on valokenno, joita esimerkiksi taskulaskimissa on käytetty jo vuosia. Kennossa ei ole lainkaan liikkuvia osia, joten sen käyttöikä on jopa kymmeniä vuosia.
Luottokortin kokoisella fotonien keräimellä voidaan ulkona tuottaa 10–200 milliwatin teho vuorokauden ajasta riippuen. Jatkuvassa käytössä osa kennon tuottamasta energiasta on kuitenkin säilöttävä yötä varten, joka Suomessa voi olla pitkä. Aurinkokenno ei myöskään ole täysin huoltovapaa, sillä pöly heikentää sen tehoa.
Asteet wateiksi
Sisällä aurinkokenno menettää ylivertaisuutensa, mutta siellä taas on tarjolla useita lämpimiä pintoja. Lämpimän ja viileän pinnan lämpötilaerosta voidaan lämpösähköisellä materiaalilla tuottaa sadan milliwatin sähköteho. Tässäkään ei tarvita liikkuvia osia, joten ratkaisu on pitkäikäinen ja huoltovapaa. Virran synnyttämiseen riittää jo neljän asteen lämpötilaero, jollainen löytyy helposti esimerkiksi lämpöpatterin ja huoneilman väliltä.
Sadan asteen lämpötilaerolla tulitikkulaatikon kokoinen elementti tuottaa jo viiden watin tehon. Tällaisia lämpötilaeroja on muun muassa auton pakoputkistosta. Pakokaasuanturi voisi siis olla johdoton.
Japanissa on kokeiltu oluttuopeissa radiolähettimellä ja pinnankorkeusmittarilla varustettua laitetta, joka ottaa käyttövoimansa oluen ja ilman lämmön erotuksesta. Kun tuoppi on puolillaan, laite tilaa uuden.
Ihmisen ihon ja ilman lämpötilan ero avaa uusia mahdollisuuksia elintoimintojen seuraamiseen. Seiko on jo esitellyt rannekellon, joka ottaa käyttöenergiansa ihon lämmöstä.
Värinäsähköä vaatteista
Energian keruu värähtelystä on harmonisinta ympäristön kanssa. Laitteiden resonanssitaajuuksien täytyy olla hyvin viritettyjä ja alustan värähtelykäyttäytymisen tarkasti tiedossa, jotta yllettäisiin hyvään hyötysuhteeseen. Nämä ehdot täyttyvät esimerkiksi moottoreissa.
Värähtelyn energiaa kerätään pietsosähköisellä liikkeellä, kapasitanssin muutoksella tai induktiolla, jossa metalli liikkuu värinän tahdissa kelan sisällä. Värinästä saadaan tehoa 0,1–10 milliwattia.
Georgian yliopiston tutkijat ovat kehittäneet nanokokoisen sinkkioksidi-johtimen, joka tuottaa sähköä, kun sitä venytetään. Johtimia voitaisiin kutoa urheiluasujen kankaaseen, jolloin asut tuottaisivat virran erilaisille itsenäisille mittausjärjestelmille.
Sentin mittaisista nanokuiduista on saatu mikroampeereja ja millivoltteja, mutta vaatteiden mittakaavassa tutkijat uskovat yllettävän jopa 80 milliwattiin.
Energian keruu helpottaa teollisuuden antureiden sijoittamista, mutta siitä on hyötyä myös kotona. Esimerkiksi valokytkimistä voidaan tehdä johdottomia, kun kytkimen painalluksesta otetulla energialla siirretään tieto kytkimen asennosta valaisimeen.
Ilmaisen energian saalistajat
Ympäristön energian käyttö on sinänsä vanha juttu: mekaaniset rannekellot ovat vetäneet itsensä käden liikkeellä, radioita on ladattu kammella ja vilja jauhettu tuulen voimalla. Uutta on tekniikan miniatyrisointi ja yhdistäminen erittäin vähävirtaiseen elektroniikkaan.
Energian keruu muuttaa myös laitteiden toimintaa. Ne ovat unitilassa, kunnes niillä on tarpeeksi energiaa herätä. Sähkönsäästöohjelma seuraavat energialähteen tilaa ja niukkuuden lähestyessä nukuttaa laitteen odottamaan seuraavaa annosta.
Tekniikkaa on jo palvelimien lämpöenergian keräämiseen ja vähitellen se integroituu myös suorittimiin, jotka oppivat haistamaan saalistettavissa olevan energian ja keräämään sen talteen.
Ehtymätön energia tekee lopulta elektronisista laitteista ikiliikkujia. Johtoja ei enää tarvita, ja tietotekniikka voi levitä alueille, mihin sillä tähän asti ei ole ollut asiaa.
Euroopan digikirjasto aukesi
• Europeana-kirjaston portaaliin (www.europeana.eu) kootaan miljoonia digitoituja teoksia eurooppalaisista tallennearkistoista ja museoista.
Mediakirjastoihin erikoistunut hakukone etsii kirjoja, kuvia, ääni- ja videotallenteita ja kaivaa esiin paljon sellaista tietoa, jota internetin tavalliset hakukoneet eivät löydä. Sen työkaluilla voi esimerkiksi tutkia, miten ideat levisivät maasta toiseen, miten suuntaukset vaikuttivat eri maissa ja miten poliittiset ideologiat kehittyivät.
Kirjaston suosiota kuvaa se, että Hollannissa olevat kolme palvelinta kaatuivat heti kirjaston auettua ja uudet laitehankinnat siirsivät avajaisia kolmella viikolla. Suunnittelijat odottivat viittä miljoonaa osumaa tunnissa, mutta saivat kolminkertaisen määrän. Tuhannet kävijät hakivat samanaikaisesti kulttuurihistoriallisia teoksia, kuten Mona Lisaa tai Kafkan, Cervantesin ja James Joycen kirjoituksia.
Kuitu korvaa kuparin palvelimessa
• Taajuuksien ja energiatehokkuusvaatimusten kasvu korvaa palvelimien sähköisen tiedonsiirron optisella. HP:n tutkijoiden mukaan tämä
tapahtuu 3–5 vuoden kuluessa.
Ensimmäisessä vaiheessa palvelimien väliset kuparikaapelit korvautuvat optisilla. Liitännöissä tavoitellaan samaa helppoutta kuin nykyisissä blade-palvelimissa, joissa kortti voidaan vaihtaa tarvitsematta erikseen kytkeä kaapeleita. HP suunnittelee käyttävänsä kohdistamisessa apuna magneetteja.
Seuraavaksi luovutaan optisista kaapeleista ja tieto siirretään vapaasti lasersäteillä korttien välillä. Korttien väliset suorat kytkennät mahdollistavat huomattavasti entistä joustavamman tietokonearkkitehtuurin, koska prosessorien, muistien ja i/o-laitteiden väliset yhteydet voidaan rakentaa aivan uusilla tavoilla.
Lopuksi palataan takaisin rinnakkaiseen tiedonsiirtoon. Sähköisissä väylissä siitä luovuttiin, koska johtimien välinen kapasitanssi esti korkeampien taajuuksien käytön. Optisilla signaaleilla tätä ongelmaa ei ole, ja emolevyille tehdään niitä varten aaltojohtimet.
Elektroniikka venyy ja vanuu
• Elektroniikka on perinteisesti ollut tasomaista ja jäykkää ja pienikin taivuttelu on murtanut laitteen. Northwestern-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet rakenteen, jonka voi kiertää silmukalle ja venyttää jopa 140-prosenttiseksi.
Tekniikka avaa paljon mahdollisuuksia lääketieteellisessä elektroniikassa ja urheiluvarusteissa: piirilevyt voidaan muotoilla esimerkiksi ihonmyötäisiksi ja pukea päälle.
Itse piirit ovat niin pieniä (noin sata mikrometriä), etteivät ne taivu alustaa väänneltäessä. Alustaa venytetään, kun piirit upotetaan sen sisään, jolloin esipuristus pitää ne kasassa. Liitokset on toteutettu S-kirjaimen muotoisilla johtimilla, jotka myötäävät venmistä.
