Imaginați-vă o lume în care smartphone-urile, laptopurile, dispozitivele portabile și alte electronice funcționează fără baterii. Cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology au făcut un pas în această direcție odată cu lansarea primului dispozitiv complet flexibil care poate converti energia semnalelor Wi-Fi în energia electrică necesară pentru a alimenta electronica.
Ce este rectenna
O rectenă este un dispozitiv care convertește undele electromagnetice de curent alternativ în curent continuu. Cercetătorii au descris o nouă specie a acesteia în revista Nature. Folosește o antenă de frecvență radio flexibilă care captează unde electromagnetice, inclusiv Wi-Fi. Se conectează la un semiconductor bidimensional cu o grosime de mai mulți atomi. Curentul alternativ curge în semiconductor, care îl transformă în curent continuu, ceea ce vă permite să alimentați circuite electronice sau să încărcați baterii.
Astfel, dispozitivul captează și convertește pasiv semnalele Wi-Fi în DC. Este flexibil și poate fi produs în role pentru a acoperi o suprafață mare.
Noua modalitate de a alimenta internetul obiectelor
„Ce se întâmplă dacă creăm sisteme electronice care înfășoară un pod sau acoperim o întreagă autostradă sau ziduri de birouri și oferim informații electronice pentru tot ce ne înconjoară? Cum alimentăm toată această electronică? Întreabă co-autorul Thomas Palacios, profesor în cadrul Departamentului de Inginerie Electrică și Informatică și director al Centrului pentru Dispozitive Grafene și Sisteme 2D din Laboratoarele de Tehnologie Microsistemică. „Am venit cu un nou mod de a alimenta sistemele electronice ale viitorului, recoltând energie Wi-Fi într-un mod care poate fi integrat cu ușurință pe suprafețe mari, astfel încât toate obiectele din jurul nostru să câștige inteligență.”
Video promotional:
Aplicațiile timpurii promițătoare pentru rectenna propusă includ alimentarea electronicelor flexibile și purtabile, a dispozitivelor medicale și a senzorilor IoT. Smartphone-urile flexibile, de exemplu, sunt o piață nouă și fierbinte pentru marile firme de tehnologie. Dispozitivul experimental generează aproximativ 40 μW de putere atunci când este expus la niveluri tipice de putere ale semnalului Wi-Fi (aproximativ 150 μW). Acest lucru este mai mult decât suficient pentru a aprinde un simplu ecran de telefon mobil sau cipuri de alimentare.
Aplicare în medicină
Potrivit unui cercetător de la Universitatea Tehnică din Madrid, Jesús Grajal, una dintre posibilele aplicații ale dezvoltării este asigurarea transmiterii datelor pentru dispozitivele medicale implantabile. De exemplu, pastile care vor transfera date despre starea de sănătate a pacientului pe un computer pentru diagnostic ulterior.
„Este periculos să folosiți baterii pentru a alimenta aceste sisteme, deoarece dacă scurgerile de litiu, pacientul va muri”, spune Grahal. „Este mult mai bine să recoltăm energie din mediu pentru a alimenta aceste mici laboratoare din interiorul corpului și pentru a transmite date către computerele externe”.
Redresor flexibil
Toate rectenele se bazează pe o componentă cunoscută sub numele de „redresor” care convertește curent alternativ în curent continuu. În rectenele tradiționale, redresorul este fabricat din arsenid de siliciu sau galiu. Aceste materiale pot acoperi frecvențele Wi-Fi, dar sunt dure. Deși sunt relativ ieftine de utilizat pentru fabricarea dispozitivelor mici, acoperirea suprafețelor mari, cum ar fi suprafețele clădirilor și pereților, ar fi prohibitiv de costisitoare. Cercetătorii au încercat mult timp să rezolve aceste probleme. Dar câteva rectene flexibile care au fost raportate până acum funcționează la frecvențe joase și nu pot capta și converti semnale gigahertz, care sunt cele mai multe semnale de telefonie mobilă și Wi-Fi.
Pentru a-și crea redresorul, cercetătorii au folosit un nou material bidimensional, disulfură de molibden (MoS2), care, la o grosime de 3 atomi, este unul dintre cele mai subțiri dispozitive semiconductoare din lume. Echipa a folosit comportamentul neobișnuit al MoS2: atunci când este expus anumitor substanțe chimice, atomii materialului se rearanjează astfel încât să acționeze ca un comutator, provocând o tranziție de fază de la un semiconductor la un material metalic. Această structură este cunoscută sub numele de diodă Schottky.
„Prin crearea MoS2 într-o tranziție de fază 2D semiconductor-metal, am construit o diodă Schottky subțire, ultrarapidă, care minimizează simultan rezistența în serie și capacitatea parazită”, spune autorul proiectului Xu Zhang.
Capacitatea parazitară este inevitabilă în electronică. Unele materiale acumulează o mică încărcare electrică care încetinește circuitul. În consecință, o capacitate mai mică înseamnă viteze mai mari ale redresorului și frecvențe de operare mai mari. Capacitatea parazită a unei diode Schottky este cu un ordin de mărime mai mic decât redresoarele flexibile moderne, astfel încât convertește semnalul mult mai rapid și vă permite să capturați și să convertiți până la 10 GHz.
„Acest design are un dispozitiv complet flexibil, care este suficient de rapid pentru a acoperi majoritatea benzilor de frecvență radio utilizate de electronica de zi cu zi, inclusiv Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular și multe altele”, spune Zhang.
Eficacitatea rectenei flexibile
În lucrarea descrisă, sunt propuse desene ale altor dispozitive flexibile de înaltă performanță. Eficiența maximă de ieșire a dispozitivului actual este în medie de 40% și depinde de puterea Wi-Fi. Redresorul MoS2 are o eficiență tipică de 30%. Pentru referință, eficiența rectenelor realizate din arsenura de siliciu sau galiu mai dură și mai scumpă atinge 50-60%.
Acum echipa de dezvoltare intenționează să construiască sisteme mai complexe și să îmbunătățească eficiența tehnologiei.
Autor: Sergey Prots
