Kaip tokiais atvejais galėtų padėti mokslo sprendimai? Apie tai savo idėjas kvietė atsiųsti NATO Mokslo ir technologijų organizacija – NATO STO, paskelbusi tarptautinį konkursą „Women and Girls in Science 2026 Challenge“. Konkursas skirtas jaunoms moterims – studentėms, pradedančiosioms tyrėjoms ar visoms, kurios domisi karjera mokslo, technologijų bei gynybos srityse.
Konkurso finalas įvyks birželio 9 dieną Briuselyje, o tarp dvylikos atrinktų geriausių viso pasaulio dalyvių pirmąkart bus ir lietuvė – Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Fizikinių technologijų skyriaus doktorantė Justina Žemgulytė.
Ji „WGS2026“ komisijai pristatys radijo bangų perdavimo technologiją, kuri leistų per atstumą tiekti energiją mažos galios prietaisams ar jutikliams, itin svarbiems infrastruktūrai ekstremalios situacijos atveju. Šis sumanymas – ne tik konkurso, bet iš dalies ir Justinos disertacijos užduotis.
Bloga diena Šiaurės Europai
„Prisipažinsiu, į konkursus, skirtus tik moterims, įprastai žiūriu kiek skeptiškai, nes norėčiau, kad kiti mane pirmiausia matytų ir vertintų kaip žmogų, specialistą – o ne kaip vyrą ar moterį, ypač darbe. Tačiau skyriaus vadovas dr. Virginijus Bukauskas įkalbėjo mane sudalyvauti, o kiti kolegos irgi stipriai palaikė“, – prisimena Justina.
Ji pasirinko scenarijų „Diena be energijos“: vieną šaltą sausio rytą Šiaurės Europą ištinka netikėta krizė – beveik tuo pačiu metu sugenda du pagrindiniai elektros energijos transformatoriai. Jie nustoja tiekti elektrą Šiaurės šalių regiono tinklams, o likusiai sistemai tenka per didelė apkrova. Dėl to ima griūti ir kitos tinklo dalys – viena po kitos jos atsijungia.
Situaciją dar labiau apsunkina gamtos sąlygos. Jūroje – neįprastai ramu, todėl beveik neveikia vėjo jėgainės. Žiemos dienos apniukusios, tad saulės elektrinės taip pat menkai tegali padėti. Rezultatas – 24 valandos be elektros, ryšio ir avarinio reagavimo.
NATO STO iššūkis šiam scenarijui – sugalvoti naujas, decentralizuotas energijos gamybos ir kaupimo sistemas, kurios būtų atsparesnės gedimams atskirose tinklo vietose. Taip pat atsižvelgti į poreikį kritinėse srityse naudoti įrenginius, galinčius veikti iš kitų (neelektrinių) energijos šaltinių, pavyzdžiui, avariniame transporte ir ryšių sistemose.
Elektros energija – „iš oro“
„Man kilo idėja panaudoti savo mokslinių tyrimų kryptį – energijos kaupimą iš aplinkos surenkant mikrobanginę spinduliuotę. Kiekvieną dieną mus pasiekia šimtai mikrobangų, kurios sklinda iš bevielio ryšio maršrutizatorių, išmaniųjų telefonų ar „Bluetooth“ įrenginių. Tie signalai tiesiog sklando ore, tad kodėl mums jų nesurinkus ir nepavertus elektra?“ – sako fizikė.
Šiam tikslui Justina sukūrė (ir vis tobulina) radijo bangų energijos kaupimo sistemą – energorinkį: nuo įvairių įrenginių sklindančios mikrobangos yra „sugaudomos“ specialiose antenose, tuomet tampa kintama elektros srove (AC), kuri paverčiama į nuolatinę elektros srovę (DC) – ir perduodama į jutiklį ar kitą mažai galios reikalaujantį prietaisą.
Tokiu pačiu principu mikrobangas galima ne tik kaupti, bet ir perduoti, o NATO STO konkursui J.Žemgulytė pristatė radijo bangų perdavimo sistemas – čia naudojamos labiau kryptingos antenos. Jos gali sufokusuoti, „susiaurinti“ spindulį, kad kuo mažiau energijos būtų prarasta, kol banga keliauja nuo šaltinio iki prietaiso. Šį tikslą pasiekusi radijo bangų energija ir užmaitina prietaisą.
Iš kur energijos kaupiklis gaus savo „kuro“ – mikrobangų? Pasak J.Žemgulytės, tam gali pasitarnauti elektros generatoriai, automobilių akumuliatoriai ar baterijos, tačiau, atsižvelgiant į šiuolaikinių energijos perdavimo sistemų efektyvumą, to gali nepakakti:
„Žemės paviršiuje saulę kartais užstoja debesys, tad saulės kolektorius galėtume iškelti virš Žemės orbitos. Kadangi nutiesti laido iki Žemės negalime, energijai perduoti būtų galima panaudoti radijo bangas. Beje, tokios sistemos jau kuriamos, ir tikiu, kad per artimiausius 20 metų tai taps realybe.“
Mokslininkė pabrėžia, kad jos vystoma technologija kol kas negali pakeisti elektros tinklo – kalbant apie energijos rinkimą, sistema „gaudo“ tik mikrovatus (nors jutikliams pakanka ir tiek). Kita vertus, prireikus energiją perduoti, čia jau galime kalbėti apie didesnes galias, priklausomai nuo mikrobangų šaltinio.
„Vienas iš galimų variantų, kur pasitarnautų radijo bangų energijos perdavimo sistemos – radiacijos lygio stebėjimas po avarijos: žmones ten siųsti nesaugu, laidai nutrūkę, informacijos negauname. Turėdami mažus jutiklius su mūsų antenomis, išspręstume šią problemą. Jutikliai galėtų veikti, pasikrauti energijos ir atgal išsiųsti reikiamą informaciją.
Kitas pavyzdys – jutikliai tiltuose, kai reikia stebėti, ar jų konstrukcija stabili, ar apkrova ne per didelė“, – pasakoja Justina.
Pirmieji eksperimentai jau duoda rezultatų
Tai, apie ką kalba fizikė, nėra vien teorija – FTMC doktorantė radijo bangų rinkimo technologiją tobulina rašydama savo disertaciją.
„Mes bendradarbiaujame su kolegomis ukrainiečiais iš V. I. Verdanskio Bendrosios ir neorganinės chemijos instituto, kurie gamina specialias keramikines medžiagas, iš kurių mes gaminame antenas. Įdomu tai, kad dauguma mokslininkų kuria vertikalias antenas, o mes sugalvojome kitokią, plokštesnę, konstrukciją iš keramikos. Ji užima mažiau vietos, tačiau veikimas nuo to neblogėja.
Viena mažytė antena dažnai nesurenka pakankamai energijos, todėl mes kuriame antenų masyvus – taip galime padidinti antenos efektyvųjį plotą ir prikaupti daugiau elektros“, – sako J.Žemgulytė.
Eksperimentai vyksta FTMC Fizikinių technologijų skyriaus Mikrobangų laboratorijoje – Mikrobangų beaidėje kameroje, specialioje patalpoje su anglies pluošto „spygliais“ ant lubų, grindų ir sienų. Jie sugeria mikrobangas, o išorinė elektromagnetinė spinduliuotė nepatenka į kameros vidų. Tai leidžia atlikti tikslius tyrimus su elektroniniais prietaisais ir aprašyti jų veikimą.
Justina šioje laboratorijoje panaudojo mikrobangų šaltinį, šiek tiek galingesnį už įprastą bevielio ryšio maršrutizatorių, o už metro pastatė savo sukurtą radijo bangų rinkimo sistemą su dielektrinių antenų masyvu. Fizikė išmatavo, kad sistema išėjime generavo 56 mikrovatus elektros galios.
„Tai nėra labai daug, bet jau galėtume rasti jutiklių, kuriems tokios galios užtektų. Be to, energiją galime kaupti panaudojant galios kaupimo modulius (angl. power management modules). Jie pamažu įkrauna kondensatorių, kuriame didėja įtampa. Kai pasiekiama nustatyta riba, grandinė automatiškai atsidaro ir leidžia energijai tekėti į prijungtą įrenginį. Kondensatoriuje sukaupta energija leidžia tiekti maitinimą didesnės galios reikalaujantiems prietaisams.
Eksperimento metu, renkant energiją tokiomis pačiomis sąlygomis, naudojant galios kaupimo modulį ir kaupiant surinktą energiją kondensatoriuje, buvo sugeneruota daugiau nei 600 mikrovatų galios. Šiuo atveju kondensatorius buvo kraunamas 1,6 sekundės. Jei kondensatoriaus talpa būtų didesnė ir jis būtų kraunamas ilgiau – pavyzdžiui, kelias minutes ar net dešimtis minučių – sugeneruotas galios kiekis galėtų būti dar didesnis“, – paaiškina FTMC doktorantė.
Pirmieji įvertinimai
Pasak J.Žemgulytės, šiuo metu ji su kolegomis sprendžia keletą pagrindinių iššūkių. Pirmasis – kaip gaunamą kintamą srovę kokybiškiau paversti nuolatine srove. Paprastai mažos galios įtampos lyginimo grandinėse naudojami vadinamieji Šotkio diodai, tačiau rinkoje yra nedaug variantų, galinčių veikti esant tokioms mažoms galioms ir aukštiems dažniams. Diodai veikia kaip jungikliai – viena kryptimi praleidžia srovę, kita – ne, tačiau šio proceso metu dalis energijos prarandama. Dirbant su mažomis galiomis svarbu, kad šie nuostoliai būtų kuo mažesni.
Kita problema – dėl didelio impedanso skirtumo tarp sistemos elementų (impedansas – tai elektrinės grandinės ar terpės „pasipriešinimas“ kintamajai srovei arba elektromagnetinei bangai), energija dalinai atsispindi – todėl atsiranda papildomų nuostolių. Tad Justina tobulina impedanso suderinimo grandines, kurios bangas tarsi „apgauna“, priverčia „nematyti“ impedanso skirtumo ir tekėti toliau, be atspindžių.
Dar vienas klausimas – ką padaryti, kad energorinkiai gebėtų dirbti esant didesniam nuotoliui nuo mikrobangų šaltinio. Didėjant mikrobangų sklidimo atstumui, jų signalas silpsta, bangos sklaidosi į šonus, o dalis energijos sugeriama dėl aplinkoje esančios drėgmės. Vienas iš sprendimo būdų – patobulinti antenas, kurios tiksliau sufokusuotų ir susiaurintų mikrobangų spindulį (o ne leistų joms sklisti plačiai). Taip pat norima panaudoti metapaviršius – tam tikras smulkias metalines struktūras, kurios pagerintų antenos savybes ir padėtų nukreipti siaurą mikrobangų spindulių pluoštą tik ten, kur jo reikia.
Energorinkio idėja jau buvo įvertinta balandžio 30 d. didžiausioje Baltijos šalyse gamtos mokslų studentų konferencijoje „Open Readings“, kur Justina pelnė geriausio žodinio pranešimo apdovanojimą taikomosios elektrodinamikos srityje. Birželio 9 d., NATO STO konkurso finale, laukia pirmasis tarptautinis testas – šįkart fizikės iš Lietuvos klausysis aukšto rango tarptautiniai ekspertai.
„Šis kvietimas man buvo netikėtas, nes paraišką rašiau tiesiog savo malonumui. Šiek tiek jaudinuosi, nes jaučiu atsakomybę atstovauti FTMC, Lietuvai ir tam tikra prasme – visoms moterims. Vis dėlto stengiuosi į tai nežiūrėti pernelyg rimtai – tai puikus katalizatorius mano augimui.
Didžiausią įtaką tam, kuo esu šiandien, padarė mano mokslinio vadovo dr. Pauliaus Ragulio rūpestis ir parama. Jo tikėjimas manimi, nuoširdus įsitraukimas ir sugebėjimas įžiebti norą siekti daugiau paliko neišdildomą žymę mano profesiniame kelyje – už tai jam esu giliai dėkinga“, – sako fizikė.
