Intervju med Henrik Staaf om vägen till en doktorsexamen

År 2012 började Henrik Staaf sina studier som nyligen gett honom en doktorsexamen. Från början var planen att ta en filosofie licentiat, som innebär två års heltidsstudier. Han fick den chansen genom ett statligt kunskapslyft. Tanken var att fördjupa sig i ämnet Fysik för att bli en bättre lärare, bygga en brygga mellan den akademiska världen och skolan. Henrik fick efter sin licentiat möjligheten att fortsätta och även ta en filosofie doktor inom området, vilket han såg som en personlig utmaning, samtidigt var det oerhört intressant. Henrik fortsatte också jobba på skolan, men nu som lektor. Hans arbete som lektor i fysik på skolan har lett till att våra elevers resultat höjts, då han lagt mer fokus på deras förståelse av fysik. Henrik genomförde sina doktorandstudier, samtidigt som han arbetat halvtid på skolan. Under dessa år har han publicerat hela tio vetenskapliga artiklar.

Henrik Staaf började forska om “energikällor för intelligenta trådlösa sensorer”. 2012 var det ingen som var medveten om IoT men det Henriks forskning kring energikällor för intelligenta trådlösa sensorer gör, är att möjliggöra IoT i samhället. Nästan allt drivs idag av batterier, och man letar därför efter andra sätt att tillföra energi. Henriks intelligenta trådlösa sensorer har bred potentiellt användningsområde inom industrin. Alla maskiner behöver ha en autonom intelligent sensor. För dig som är intresserad av en djupare förklaring av Dr. Staafs arbete kan läsa om det i del två av denna artikel.

Så här några dagar efter att Henrik har doktorerat säger han att det roligaste har varit att inse att man kan tillföra något till ett viktigt forskningsområde, något ingen annan tidigare gjort. Å andra sidan har det under dessa fyra år inte bara varit enkelt. Att forska innebär att man ska publiceras och i den processen får man en del kritik. I början tyckte Henrik att det var tufft att få tillbaka en artikel han skrivit, men krav på kanske 40 ändringar i texten. Men under åren har han förstått att det är en del av processen, och har dessutom blivit mer ödmjuk inför kritik.

När jag frågar Henrik om framtiden säger han att det finns några till artiklar att skriva, som skulle sluta cirkeln kring de system de tagit fram. Vidare säger han att det vore kul att forska vidare på ett närbesläktat projekt. Eller kanske på ett helt nytt område. Han säger, vilket gör oss glada, att han vill fortsätta undervisa på NTI Johanneberg och att han upplever att han blivit tryggare i sitt ämnesområde på grund av de fördjupade kunskaper han har förskansat sig. Han upplever att han nu lättare kan förklara fysiken för eleverna genom att knyta an till verkligheten.

 

Conjoined piezoelectric harvesters and carbon supercapacitors for powering intelligent wireless sensors

  • A ph.d thesis by Henrik Staaf

Henriks forskning handlar om energikällor för intelligenta trådlösa sensorer. Intelligenta trådlösa sensorer är enheter som mäter något i vår miljö, bearbetar data och sänder ett svar till en centralenhet. Många intelligenta trådlösa sensorer placerade ihop blir ett trådlöst intelligent sensornätverk.

Den största utmaningen för intelligenta trådlösa sensorer idag är att bli autonoma. För att uppnå detta behövs två viktiga komponenter i den intelligenta trådlösa sensorn; för det första energikonvertering och för det andra energilagringen.

Att placera en energikonverterare i kombination med en intelligent trådlös sensor skulle göra det möjligt att ta bort kablar och därigenom göra den placerbar nästan överallt. Energikonverteraren omvandlar omgivande energi till el. Omgivande energi kan vara vind, solljus, värme, radiovågor eller vibrationer. Genom att använda olika konverteringstekniker skördas dessa källor och omvandlas till el.

Piezoelektrisk energikonvertering

Vibrationer är en riklig omgivande energikälla. För att omvandla vibrationer till elektricitet kan piezoelektriska platta balkar användas. När den platta balken vibrerar det piezoelektriska materialet, ger det på grund av kompression och extraktion en spänning (figur nedan).

Den största utmaningen för piezoelektriska energikonverterare är emellertid att täcka ett brett spektrum av frekvenser och upprätthålla en tillräcklig effekt. Energiskördare idag består av en balk där man endast nyttjar piezomaterialet närmast infästningen av balken (röd streckad linje i figur nedan).

I avhandlingen visar Staaf två kopplade balksystem som ger bredare bandbredd utan att ge avkall på den effekt som behövs för att driva den intelligenta trådlösa sensorn.

Den första piezoelektriska energikonverteraren består av två kopplade balkar där den ena balken är vikt bakåt över den andra balken (figur nedan).

Den sammantagna effekten från den bakåtvikta energikonverteraren hade lite bredare bandbredd och högre effekt (blå linje i figur ovan) jämförd med två stycken enkla enbalks energikonverterare (röd streckad linje i figur ovan). Anledningen till att det bakåtvikta balksystemet var bättre, visades genom att påvisa den utbredda stress som blev över hela bottenbalken.

För att få en ännu bredare bandbredd behövde de två egenfrekvenserna komma närmare varandra. Genom att minska längden på toppbalken gick detta att uppnå och i mätgrafen till höger nedan har konfiguration -8 en bandbredd på 100 Hz med ett minsta spänningsvärde på 2,75V.

Ett annat sätt att öka bandbredden är att använda sig av ett självjusterande system. I det här fallet valde Henrik att använda sig av ett mekaniskt fenomen där en massa är fritt glidande på en balk och byter position beroende på applicerad yttre frekvens. Massans olika positioner medför olika egenfrekvenser för det kopplade systemet och kan jämföras med att man använder flera enkla balkar med olika egenfrekvenser (figur nedan).

För att uppnå så bred bandbredd som möjligt togs en numerisk modell fram, vilken pekade på att asymmetriska längder på piezobalkarna skulle ge bredare bandbredd. Genom asymmetrisk konfiguration av de piezoelektriska balkarnas längd och applicerade massor fungerade den kompakta energikonverteraren väl med en bandbredd på 38Hz och användbar effekt på över 15 mW. (I den övre av figurerna nedan visas en konfiguration med fyra olika applicerade massor.)

 

Att kombinera kopplade balksystem för att uppnå utbredd stress är användbart när man vill göra små energikonverterare i mikroformat. Eftersom de redan är små och effekten är skalbar med storleken vill man utnyttja så mycket av den lilla ytan man har. En variant av den bakåtvikta energikonverteraren är, av mikrofabrikations- -tekniska skäl, att göra den i ett plan med två yttre balkar och en bakåtvikt mellan dessa två. Genom den här designen av kopplade balkar uppnår man målsättningen att använda sig av den tillgängliga ytan så effektivt som möjligt.

Energilagring

Ibland behövs någon sorts lagring som backup, eftersom det inte finns någon omgivande energi för tillfället. Det kan vara när det inte finns till exempel solljus, som under natten eller ingen vibrationer från en motor om den stängs av. Denna lagring måste uppfylla egenskapen att kunna laddas och urladdas under en lång livscykel. Superkondensatorer är sådan lagring eftersom de huvudsakligen utnyttjar statisk elektricitet för att lagra sin energi. Den största utmaningen för superkondensatorer är att ha ett elektrodmaterial som är välstrukturerat och har en hög effektiv ytarea och därigenom en högre energitäthet som gör att superkondensatorn kan ge ström över en längre tid. Hierarkiska komposit-kolmaterial bestående av cellulosabaserade kolnanofiber med kemiskt påväxta kolnanotuber är ett sådant elektrodmaterial (figur nedan där vi ser skiljelinjen mellan kolnanofiber och kolnanofiber med kolnanotuber på).

Skillnaden i energilagring genom att använda sig av kolnanotuber är en dubblering i energidensitet vilket visas i figuren nedan där den blåa prickade linjen är det hierarkiska kolmaterialet jämfört med rena kolnanofiber.

Det presenterade arbetet i Henrik Staafs avhandling visar hur bandbredd för piezoelektriska energi konverterare kan bli bredare genom asymmetrisk implementering och att de har en bibehållen eller högre effekt. Dessutom presenteras fördelarna med sammansatta kolelektrodmaterial som implementeras som elektrodmaterial i superkondensatorer. Både piezoelektriska energikonverterare och superkondensatorer är avsedda att användas som energikällor för dagens autonoma intelligenta trådlösa sensorer eller framtidens IoT.