Dlaczego od kilkunastu lat mamy do czynienia z tą samą technologią akumulatorów litowo-jonowych? Dlaczego ekrany elastyczne nie są elastyczne? Dlaczego niewiarygodnie wydajny czterordzeniowy procesor nie jest wydajny? W dzisiejszych czasach liczą się cyferki na opakowaniu. Gdzie podziała się prawdziwa innowacja?
NIE TĘDY DROGA
Pamiętacie te czasy, kiedy komórka działała ponad tydzień na jednym ładowaniu, a telefon mieścił się w kieszeni i służył głównie do dzwonienia? To już minęło... Ale jeśli producenci i wielkie korporacje zmienią swoje podejście i przypomną sobie, czym tak naprawdę jest innowacja, to w ciągu kilku lat może to powrócić.
W dzisiejszych czasach mamy w komórkach niewiarygodnie wydajne, czterordzeniowe układy. Mamy aparaty o gigantycznych matrycach. Mamy piękne, duże wyświetlacze o rozdzielczościach niekiedy większych od tych, które znajdują się w 60-calowych telewizorach. Mamy także baterie...
W 2007 roku analitycy prognozowali, że w 2012 roku baterie w telefonach będą na jednym ładowaniu działały przez miesiąc. Rzeczywistość jednak okazała się trochę inna. Dziś nie mierzymy czasu pracy smartfona w tygodniach, ani nawet w dniach, tylko w godzinach. I tak, najnowocześniejsze smartfony 2013 roku, nazywane przez producentów „cudami techniki”, wyczerpują się po niecałym dniu użytkowania. Co więcej, mamy tu do czynienia z tendencją spadkową – czas ten z roku na rok jest coraz bardziej niepokojący. No ale, może to ja mam jakieś dziwne wymagania i źle pojmuję postęp...
PRZESTARZAŁA TECHNOLOGIA
Obecnie wiodącą technologią są akumulatory litowo-jonowe. Składają się one z dwóch elektrod (jednej wykonanej z porowatego węgla, drugiej z tlenków metali) oraz z elektrolitu – w tym przypadku soli litowych rozpuszczonych w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Działają one dzięki zachodzeniu reakcji chemicznej, podczas której jony litu przemieszczają się pomiędzy anodą i katodą w ośrodku – elektrolicie. Technologia ta ma jednak kilka ograniczeń. Po pierwsze, pojemność ogniwa limituje gęstość magazynowania ładunku, czyli ilość jonów litu, które można upakować na anodzie i katodzie. Po drugie, prędkość ładowania zależy od tego, jak szybko jony przemieszczają się przez elektrolit do anody.
ZNOWU GRAFEN?
Ograniczenia te próbuje ominąć zespół inżynierów z Northwestern University pod kierownictwem profesora Harolda H. Kunga. Efektem ich prac jest publikacja naukowa pt. „In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si–Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries”. Wracamy więc do naszego starego znajomego – grafenu, o którym mogliście przeczytać w artykule: Polska "Doliną Grafenową". Bateria litowo-jonowo-grafenowa docelowo będzie 2000 razy pojemniejsza, ładować się będzie 1000 razy szybciej, a przy tym będzie mogła być 30 razy mniejsza (2000 dni na jednym ładowaniu, trwającym 10 sekund?). Już teraz trwają testy baterii zapewniających 10-krotnie dłuższy czas pracy, które ładują się 15 minut. Zachęcam do zapoznania się z przytoczoną publikacją – zespół ten znalazł bardzo sprytny sposób na połączenie warstw krzemu (mogą one pomieścić więcej ładunku, niż stosowane obecnie anody węglowe, ale, niestety, podlegają znacznemu rozszerzaniu się i kurczeniu, co prowadzi do fragmentacji i spadku pojemności) ze stabilizującymi warstwami grafenu. W uproszczeniu, krzem pozwoli na znaczne zwiększenie pojemności ogniwa, a grafen zapobiegnie spadkowi jego wydajności. Profesor Kung zastosował tak zwane* in-plane defects* – wykorzystał proces utleniania do stworzenia kilkunastonanometrowych dziur w warstwach grafenu, co znacznie przyspiesza transport jonów do anody i pociąga za sobą wielokrotnie szybsze ładowanie.
Badania trwają, a obecnie naukowcy skupiają się na ulepszeniu elektrolitu, który automatycznie wyłączałby baterię, chroniąc ją przed przegrzaniem. Dałoby to możliwość stosowania tego typu akumulatorów w samochodach elektrycznych, które obecnie, moim zdaniem, przeczą zupełnie idei samochodu, zmuszając nas do kilkugodzinnego ładowania co, przykładowo, 200-300 km. Ale wróćmy do samych baterii i nowych technologii, które, miejmy nadzieję, zrewolucjonizują kilka gałęzi przemysłu. Wbrew pozorom, powyższe rozwiązanie było najbardziej konwencjonalnym.
AKUMULATOR DŹWIĘKOWY
Czy to przechodząc przez ulicę, czy będąc w galerii handlowej, czy nawet odpoczywając na przerwie w szkole, jesteśmy bombardowani milionami dźwięków. A gdyby tak stworzyć ogniwo ładowane właśnie falami dźwiękowymi? Na taki pomysł wpadł dr Sang-Woo Kim z uniwersytetu w Seulu. Twierdzi on, że każdy rodzaj hałasu da się wykorzystać przy produkcji energii elektrycznej. Zasada działania jest prosta. Między elektrodami umieszczone są płytki z tlenku cynku, które, wibrując, wytwarzają napięcie potrzebne do naładowania baterii. Potencjał projektu jest ogromny. Wyobraź sobie komórkę, która ładuje się, gdy przez nią rozmawiasz. Brzmi jak science fiction... i chyba, niestety, długo w tym stadium pozostanie, a przynajmniej jeśli chodzi o telefony. Prototypowa prądnica przy odbieraniu dźwięku o natężeniu 100 decybeli wytwarzała bardzo niskie napięcie – tylko 50 µV. Naukowiec sądzi, że zmiana materiału, z którego wykonane są wibrujące płytki może zwielokrotnić tę wartość. Są jednak inne pomysły na wykorzystanie tej technologii, na przykład elektrownie drogowe – wzdłuż autostrad będą się ciągnęły ekrany akustyczne, które nie tylko wytłumią hałas, ale także zamienią jego część na energię, która potem będzie dostarczana do pobliskich domów.
CIEPŁO LUDZKIEGO CIAŁA
Nasz organizm funkcjonuje m. in. dzięki temu, że utrzymuje stałą temperaturę. A gdyby tak wydzielane przez nas ciepło pozwoliło funkcjonować także naszym telefonom? Ciało człowieka ma zazwyczaj temperaturę o wiele wyższą niż powietrze wokół nas. Naukowcy z uniwersytetów Wake Forest i Southampton stworzyli tkaninę, która pozwala wykorzystać tę różnicę do ładowania urządzeń elektrycznych. Profesor Stephen Beeby przedstawia ich wynalazek następująco:* „One side of that is cold and the other is hot, and when you get a flow of heat through it you can create a voltage and a current. Voltage and current together equals electrical power”.* Ta technologia także ma potencjał, a już teraz stworzono śpiwór, który po ośmiu godzinach spania w nim pozwoli naszemu telefonowi na 11 godzin czuwania lub 30 minut dzwonienia.
ENERGIA Z PAPIERU
Naukowiec Chisato Kitsukawa już w 2011 roku pokazał światu prototyp baterii biologicznej. Rolę paliwa do wytwarzania energii pełni tu glukoza uzyskana z rozkładu papieru w wodzie z enzymem celulozy. Ilość uzyskanej w ten sposób energii nie wystarczy do zasilenia smartfona, ale do małego mp3 – owszem! Nasuwa się tylko jeden problem: korzystanie z tego rozwiązania wiązałoby się z koniecznością noszenia na plecach zbiornika z rozkładającym się w wodzie papierem, więc pomysł raczej się nie przyjmie i należy go traktować jako ciekawostkę, bo nikt z niego nie skorzysta. Ale kto wie – nie da się przecież przewidzieć przyszłości.
STOŁY INDUKCYJNE
Ładowanie indukcyjne (pot. bezprzewodowe) jest już rzeczywistością od prawie dwóch lat. Na rynku jest kilka smartfonów i ładowarek umożliwiających taki proces. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie musimy każdorazowo podłączać telefonu kablem do kontaktu. Wystarczy położyć go na podstawce indukcyjnej, tak samo jak kładziemy telefon na stole. Zasada działania jest bardzo prosta – opiera się na indukcyjnym przesyle energii z jednej cewki, umieszczonej w ładowarce, do drugiej cewki, znajdującej się pod obudową naszego smartfona.
Takie ładowania trwa o ok. 30% dłużej od zwykłego, więc strata nie jest zbyt duża. Co prawda urządzenie nieco bardziej się nagrzewa, a ładowarka ma prawie dwa razy mniejszą sprawność energetyczną, ale technologia ta z roku na rok będzie ulepszana i parametry ulegną poprawie.
Ciekawą wizją jest wykorzystanie tego rozwiązania w infrastrukturze miejskiej. Wyobraźcie sobie na przykład biura, kawiarnie, restauracje, urzędy czy inne publiczne miejsca, w których znajdowałyby się stoły indukcyjne. Wtedy – na przykład – pracując przez cały dzień w biurze, komórka, leżąc na takim biurku, ładowałaby się cały czas. Ten projekt ma szanse na sukces, gdyż jego pomysłodawcą jest sama Nokia, która już teraz w niektórych amerykańskich kawiarniach zainstalowała stoły indukcyjne. To rozwiązanie, choć z pewnością bardzo drogie, jest możliwe do zrealizowania na wielką skalę. Wtedy zapomnimy o konieczności ładowania telefonu, gdyż będzie się to działo co chwilę, często bez naszej świadomości.
ŁADOWANIE NAPRAWDĘ BEZPRZEWODOWE
Firma Fujitsu opracowała technologię pozwalającą na ładowanie bezprzewodowe z odległości kilku metrów! Ma ona wysoką wydajność energetyczną i wykorzystuje zjawisko rezonansu magnetycznego. Energia jest tutaj przekazywana za pośrednictwem pola magnetycznego, generowanego przez cewkę – nadajnik. Cewka odbierająca, wbudowana w urządzenie, ładuje akumulator dzięki zjawisku rezonansu magnetycznego. Technologia ta nie ma negatywnego wpływu na zdrowie.
Wiecie, jak, moim zdaniem, będzie wyglądał świat za 15-20 lat?
W domu będziemy mieli jeden centralny nadajnik, który zasilałby bezprzewodowo wszystkie urządzenia elektroniczne. Tak samo wyglądałoby to we wszystkich sklepach i innych miejscach publicznych. A samochody elektryczne wreszcie będą miały sens, jeżdżąc po autostradach, wzdłuż których będą co jakiś czas nadajniki – zainstalowane na poboczu lub po prostu wtopione w asfalt. Bardzo miło mi się przewiduje przyszłość, ale muszę, niestety, na chwilę przerwać pisanie, aby podłączyć do ładowania komórkę, która krzyczy, że brak jej energii!
LICZĄ SIĘ LICZBY
Jako aktywny technologiczny geek oglądam w Internecie prawie wszystkie konferencje i prezentacje nowych smartfonów. Średnio raz na rok każdy z szanujących się producentów pokaże nowego „flagowca”, który od poprzedniego różni się tym, że ma: dwukrotnie szybszy procesor, dwukrotnie więcej mega pikseli, dwukrotnie większą rozdzielczość. Producenci twierdzą jednak, że przez to ich produkt jest innowacyjny i „fenomenalny”.
WSPÓŁCZYNNIK PPI
Ekran współczesnego telewizora ma rozdzielczość Full HD, czyli 1920 na 1080 pikseli, przy czym jego przekątna to np. 32-60 cali. Od pół roku właśnie taka rozdzielczość stała się standardem w telefonach komórkowych... które mają przekątną ok. 5 cali. Jak wiadomo, taka sama rozdzielczość, czyli tyle samo pikseli na różnej powierzchni, da nam różne zagęszczenie pikseli. Na dużym ekranie będzie ona mniejsza, a na małym – większa. Parametr ten określa współczynnik PPI –* pixel per inch*. Jest to ilość pikseli przypadająca na jeden cal ekranu. Modę na wyświetlacze o dużym zagęszczeniu pikseli rozpoczął Apple w 2010 roku, instalując w nowym iPhonie ekran Retina, który charakteryzował się gęstością 324 PPI. Potem inne firmy zaprezentowały swoje odpowiedniki, a teraz standardem stało się ok. 440 PPI, czyli 5-calowy ekran Full HD.
Oczywiście ludzie już się przyzwyczaili, więc niedługo zostaną zaprezentowane smartfony z ekranami o rozdzielczości 2560x1440 pikseli. Te cyferki naprawdę fajnie wyglądają na pudełku i robią wrażenie, ale jest jeden malutki problem – przeciętne ludzkie oko z normalnej odległości, z jakiej korzystamy ze smartfona, jest w stanie odróżnić pojedyncze piksele do ok. 300 PPI. A czy to będzie 324 PPI, 440 PPI czy 570 PPI to już naszym oczom obojętne – i tak obraz będzie idealny i z normalnej odległości nie zdołamy ujrzeć pojedynczych pikseli. Ach, ten marketing i naiwność konsumentów!
MEGAPIKSELE TAKIE ŁADNE... WOW!
Od roku standardem jest 13 megapikseli. Są już telefony z 20-stoma, a nawet 41 megapikselami. A do tradycyjnego formatu zdjęć 15 cm x 10 cm wystarczą 3 megapiksele. No ale po raz kolejny – to świetnie wygląda na pudełku i w specyfikacji. A co z tego, że optyka jest beznadziejna, a zoom optyczny niemożliwy, z punktu widzenia fizyki, do zrealizowania w tak cienkiej obudowie, że matryca światłoczuła ma tak małe wymiary, że gdy się choć trochę ściemni, zdjęcia już są zaszumione i niewyraźne. Producenci próbują to wszystko ominąć oprogramowaniem, ale fizyki nie da się oszukać! Jest jednak kilka ciekawych pomysłów na aparat w smartfonie: zastąpienie jednego obiektywu setkami mniejszych soczewek albo możliwość ustawienia głębi i punktu ostrości zdjęcia po jego wykonaniu. Potencjał jest, gdyż smartfony dysponują potężnymi procesorami, niedostępnymi w aparatach czy lustrzankach. Ale osoba, która choć trochę ogarnia fotografię, powinna zdawać sobie sprawę, że komórka zrobi zdjęcia co najwyżej przyzwoite.
NIEOPTYMALNA OPTYMALIZACJA
Obecnie nawet telefon za 2500zł z potężnym czterordzeniowym procesorem i 2 GB pamięci RAM potrafi się zacinać, a właściwie – po prostu to robi. Interfejs nie działa płynnie, a tak banalna czynność jak przewijanie ekranów powoduje spadki płynności. Wszystko to z powodu braku odpowiedniej optymalizacji oprogramowania, czyli systemu operacyjnego. Najpopularniejszy mobilny system, Android, jest na tak wielu urządzeniach różnych firm, że nie sposób nad tym wszystkim zapanować i dostosować go do wszystkich modeli. Ponadto mamy tu do czynienia ze zjawiskiem fragmentacji: nie wszystkie urządzenia mają tę samą wersję systemu – jedne mają nowszą, a inne pozostały przy starszej. Jak wiadomo, ciężko dogodzić wszystkim, więc trudno jest skonfigurować oprogramowanie tak, aby na każdym urządzeniu działało płynnie. W rezultacie na każdym działa średnio. Wyjątkiem jest firma Apple, gdyż ta sama firma odpowiada tutaj zarówno za software (iOS), jak i za hardware (iPhone). System iOS jest dostosowany tylko i wyłącznie do iPhone’a, a w dodatku każdy iPhone jest od razu aktualizowany do najnowszej wersji, więc zjawisko fragmentacji w ekosystemie Apple prawie nie istnieje. Co jak co, ale płynność działania urządzeń tej firmy, w przeciwieństwie do Androidowej konkurencji, jest po prostu perfekcyjna. Widać to idealnie, gdy patrzymy na specyfikacje iPhona i high-enda z Androidem: w iPhonie procesor jest tylko dwurdzeniowy, a pamięci RAM jest dwa razy mniej... i to wystarcza.
ZAKRZYWIONE CZY ELASTYCZNE?
Wyświetlacze smartfonów z roku na rok stają się coraz większe – kiedyś 4 cale to był gigant, dziś jest to telefon mały, a standardem jest ponad 5 cali. Producenci, oprócz zwiększania przekątnej, chwalą się także zmniejszaniem grubości – o setne części milimetrów. Tylko co z tego, jeśli urządzenie jest tak nieporęczne, że nie mieści się w kieszeni. Grubość to nie wszystko – jest jeszcze wysokość i szerokość (pod tym względem najlepiej wypada LG G2 ze swoimi cienkimi ramkami - duży wyświetlacz w małej obudowie). W przyszłości będziemy mieli 10-calowy tablet, który po użyciu zwiniemy niczym gazetę i włożymy do kieszeni. Od około miesiąca branżowi giganci – LG i Samsung – chwalą się, że posiadają w swojej ofercie smartfony z elastycznymi ekranami.
Problem jest jednak taki, że są one od początku lekko zakrzywione i na tym ich elastyczność się kończy – nie ma mowy o jej zmianie przez nas. Bo może i sam ekran jest elastyczny, ale pozostają jeszcze do stworzenia giętkie baterie (LG zaprezentowało już prototypy), procesory, obudowy, aparaty... Tymczasem, w Internecie trwa dyskusja, czy lepsze jest zakrzywienie Samsunga na płaszczyźnie prawo-lewo, czy LG w orientacji góra-dół...
KTO JEST WINNY?
Dlaczego od kilkunastu lat mamy do czynienia z tą samą technologią akumulatorów litowo-jonowych? Dlaczego ekrany elastyczne nie są elastyczne? Dlaczego niewiarygodnie wydajny czterordzeniowy procesor nie jest wydajny?
Moim zdaniem odpowiedź jest prosta – za większość powyższych odkryć odpowiadają zespoły naukowców uniwersyteckich lub po prostu hobbystów, którzy nie dysponują odpowiednimi środkami finansowymi, aby móc prowadzić badania na większą skalę. Takie technologie powinny opracowywać korporacje takie jak Samsung czy Sony, których budżet jest gigantyczny. Rzeczywistość jest jednak smutna – grube miliony zarobione na nas, naiwnych konsumentach, idą nie na projekty badawcze, lecz na marketing (liczą się cyferki - PPI, megapikesele, Ghz…). Wbrew pozorom, wyjątkiem jest firma Apple, która w 2010 roku po premierze iPhone’a 4, który miał problem z anteną i gubieniem zasięgu (antennagate), wybudowała kolejne laboratorium służące do badania technologii łączności bezprzewodowych, warte ponad 100 milionów dolarów.
Wiadomym jest, że ta najbardziej dochodowa firma świata ma sporo podobnych obiektów, ale nie wiadomo, nad czym pracuje i jakie są wyniki tych badań – zachowuje je dla siebie, aby co kilka lat zaskoczyć nas nową kategorią produktów, tak jak w 2007 roku pierwszym smartfonem, a w 2010 pierwszym tabletem. Tak naprawdę to pewnie już te „wynalazki” są gotowe – może nawet jakiś nowy typ baterii – tylko że Apple chce najpierw jak najwięcej zarobić na już gotowych produktach, zanim zaprezentuje coś naprawdę nowego. Dobrym tego przykładem są najnowsze produkty firmy: iPad Air czy iPhone 5S, które, jeśli wierzyć plotkom, zostały zaprojektowane jeszcze przez zmarłego dwa lata temu Steve’a Jobsa. Tymczasem producenci muszą zmienić sposób myślenia, priorytety oraz swoje pojęcie innowacyjności i zaprezentować coś naprawdę *amazing, fenomenal, gorgeous.
PS.: Po ponad tygodniu pisania i rozmyślania o współczesnym rynku smartfonów wypada mi podziękować Natalii T. za korektę ortograficzno - interpunkcyjną oraz wspomnieć, że niektóre informacje o bateriach pochodzą z artykułu Jana Blinstruba.
