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コンセントにも電池にもつながず、近くを通る電線のまわりの磁場だけで、温度を測り続けるセンサーができた。アーカンソー大学とミシガン大学のチームが、グラフェンで作ったコイルで電線の磁場から電気を集め、ごく少ない電力で動く温度センサーを動かした。論文は10月20日に Journal of Vacuum Science & Technology B に載った。
センサーの数だけ、電池か配線が要る
工場やビルには、機械や配管、部屋の温度を見張るセンサーが何千個も付いていることがある。1つひとつに電気を届けるには、配線を引くか、電池を入れるしかない。配線は工事が大がかりになり、電池はいつか必ず切れて交換が要る。モノがネットにつながる時代（IoT）のセンサーにとって、「電気をどこから取るか」はずっと面倒な問題だった。
そこで、まわりの環境から少しずつ電気を集めて動く「自給式」のセンサーが研究されている。光や熱、振動など、使える源はいろいろある。今回のチームが目をつけたのは、建物の中ならたいていどこにでもある、電線だった。
電線のまわりの磁場を、グラフェンのコイルで受ける
電線に電流が流れると、そのまわりに磁場ができる。家庭や工場の電気は交流で、アメリカでは1秒間に60回、電流の向きが入れ替わる。それにつれて磁場も強さと向きを変え続ける。変わり続ける磁場の中にコイルを置くと、コイルに電圧が生まれる。変圧器や発電機と同じ、電磁誘導の原理だ。
チームは、炭素原子が1層に並んだシート、グラフェンでコイルを作った。平らな渦巻き形と立体的なばね形の両方を試し、コイルの中に鋼の芯を入れると、電源ケーブルのそばに置いた1個のコイルから、次の回路を動かせるだけの電圧が出た。
上の絵は想像図だ。とはいえ、コイルに生まれるのは小さな交流の電圧で、そのままではセンサーは動かない。センサーに要るのは向きの変わらない直流で、電圧もずっと高くなければならない。そこで、コッククロフト・ウォルトン回路という、交流を直流に変えながら電圧を何段にも積み上げていく回路を通した。この回路は外から電源をもらわずに働く。段の数を変えた回路で3つのコンデンサーをそれぞれ必要な電圧まで充電し、そこから温度センサーに電気を送る。
ためる速さが、使う速さを上回った
それでも集まる電気はごくわずかで、ふつうの電子部品は動かせない。そこでチームは逆の側から考えた。センサーのほうを、集まる電気に合わせて作ったのだ。ミシガン大学の電気工学の研究者も加わったチームが用意した専用の温度センサーは、ナノワット（10億分の1ワット）の単位の電力で動く。電池の代わりにコンデンサーを使い、電源を管理する専用のチップも省いたことで、全体の消費電力が下がり、使える期間の見込みも延びた。
ここがこの研究の一番のポイントになる。グラフェンのコイルがコンデンサーに電気をためる速さはゆっくりだが、センサーが使う速さよりは速い。だから、電線に電気が流れている限り、センサーは止まらずに動き続ける。コンデンサーには余った電気もたまるので、停電で電線の電気が止まっても、しばらくは動ける。グラフェンを使った発電の研究を率いるアーカンソー大学のポール・シバド（Paul Thibado）さんは、少なくとも24時間、おそらく1週間はもつだろうと話している。
どこでも電気が取れるわけではない
上の絵も想像図である。報道では「周囲の放射から電気を作る」と書かれているが、実際に使っているのは、放射線ではなく、電源の交流が電線のまわりに作る磁場だ。だから、十分に強く変化する磁場のある場所、つまり電線のすぐそばでしか働かない。何もない空間から電気を取り出せるわけではない。
論文自身も、限界をはっきり書いている。今回の実験では、動かす前に一度だけコンデンサーを充電し、センサーのプロセッサにプログラムを書き込んでいる。空っぽの状態から自力で立ち上がれるかは、まだ確かめていない。集まる電力もナノワットの単位なので、この専用のセンサー以外はほとんど動かせない。スマートフォンが空中から充電される、という話ではない。
それでも、電線の近くに置くだけで、配線も電池の交換も要らずに温度を測り続けられるなら、工場の機械や配管の見張りには使い道がある。チームは温度センサーを試作の例として、物流の追跡や大気・土壌の観測、体に付ける機器などへの応用も見込んでいる。同じグループは以前、グラフェンの太陽電池で温度センサーを動かしていて、今回は2つ目の自給式センサーになる。最終的には、音や熱、振動、光など、まわりにある複数の源から電気を集めるセンサーを目指しているという。
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