Ochii noștri sunt reglați numai pe o bandă îngustă de lungimi de undă posibile ale radiației electromagnetice, de ordinul a 390-700 nanometri. Dacă ați putea vedea lumea la diferite lungimi de undă, ați ști că într-o zonă urbană sunteți iluminat chiar și în întuneric - radiațiile infraroșii, microundele și undele radio sunt peste tot. O parte din această radiație electromagnetică din mediu este emisă de obiecte care își împrăștie electronii peste tot, iar unii poartă semnalele radio și Wi-Fi care stau la baza sistemelor noastre de comunicații. Toată această radiație transportă și energie.
Dacă am putea valorifica energia undelor electromagnetice?
Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au prezentat un studiu apărut în revista Nature, care detaliază modul în care au ajuns la implementarea practică a acestui obiectiv. Au dezvoltat primul dispozitiv complet flexibil care poate converti energia de la semnalele Wi-Fi în energie electrică continuă utilizabilă.
Orice dispozitiv care poate converti semnalele de curent alternativ în curent continuu (DC) se numește antenă de rectificare. Antena preia radiația electromagnetică, transformând-o în curent alternativ. Apoi trece printr-o diodă, care o transformă în curent continuu pentru utilizare în circuite electrice.
Rectenele au fost propuse pentru prima dată în anii 1960 și au fost chiar folosite pentru a demonstra un model de elicopter alimentat cu microunde în 1964 de către inventatorul William Brown. În acest stadiu, futuristii visau deja la transmiterea fără fir a energiei pe distanțe mari și chiar la utilizarea rectenelor pentru a colecta energia solară spațială de la sateliți și a o transmite pe Pământ.
Rectenă optică
Video promotional:
Astăzi, noile tehnologii de lucru la scară nanomatică permit o mulțime de lucruri noi. În 2015, cercetătorii de la Georgia Institute of Technology au asamblat prima rectenna optică din nanotuburi de carbon capabile să manipuleze frecvențe înalte în spectrul vizibil.
Până în prezent, aceste noi rectene optice au o eficiență scăzută, în jur de 0,1 la sută și, prin urmare, nu pot concura cu eficiența crescândă a panourilor solare fotovoltaice. Dar limita teoretică pentru celulele solare pe bază de rectenna este probabil mai mare decât limita Shockley-Kuisser pentru celulele solare și poate ajunge la 100% atunci când este iluminată cu radiații de o anumită frecvență. Aceasta permite o transmisie eficientă a energiei fără fir.
Noua parte a dispozitivului, fabricată de MIT, profită de o antenă RF flexibilă care poate capta lungimi de undă asociate semnalelor Wi-Fi și le poate converti în curent alternativ. Apoi, în loc de o diodă tradițională pentru a converti acel curent în curent continuu, noul dispozitiv folosește un semiconductor „bidimensional” cu doar câțiva atomi gros, creând o tensiune care poate fi utilizată pentru alimentarea dispozitivelor purtabile, a senzorilor, a dispozitivelor medicale sau a dispozitivelor electronice de suprafață mare.
Noile rectene sunt fabricate din materiale bidimensionale (2D) - disulfură de molibden (MoS2), care are o grosime de doar trei atomi. Una dintre proprietățile sale remarcabile este reducerea capacității parazitare - tendința materialelor din circuitele electrice de a acționa ca condensatori care dețin o anumită cantitate de încărcare. În electronica de curent continuu, aceasta poate limita viteza convertoarelor de semnal și capacitatea dispozitivelor de a răspunde la frecvențe înalte. Noile rectene de disulfură de molibden au o capacitate parazitară mai mică decât cele dezvoltate până acum, ceea ce permite dispozitivului să capteze semnale de până la 10 GHz, inclusiv în gama dispozitivelor Wi-Fi tipice.
Un astfel de sistem ar avea mai puține probleme cu bateriile: ciclul său de viață ar fi mult mai lung, dispozitivele electrice ar fi încărcate de radiația ambientală și nu ar fi nevoie să eliminați componentele, cum este cazul bateriilor.
„Ce se întâmplă dacă am putea dezvolta sisteme electronice care ar înfășura un pod sau care ar acoperi o autostradă întreagă, pereții biroului nostru și ar oferi informații electronice tot ceea ce ne înconjoară? Cum ai de gând să alimentezi toată această electronică?”, Se întreabă co-autorul Thomas Palacios, profesor în cadrul Departamentului de Inginerie Electrică și Informatică de la Massachusetts Institute of Technology. „Am venit cu o nouă modalitate de a alimenta sistemele electronice ale viitorului”.
Utilizarea materialelor 2D permite producerea de produse electronice flexibile la prețuri mici, permițându-ne potențial să le plasăm în zone mari pentru a colecta radiații. Dispozitivele flexibile ar putea fi utilizate pentru echiparea unui muzeu sau a suprafeței drumului și ar fi mult mai ieftin decât utilizarea rectenelor din semiconductorii tradiționali de siliciu sau arsenid de galiu.
Îmi pot încărca telefonul de la semnale Wi-Fi?
Din păcate, această opțiune pare extrem de puțin probabilă, deși de-a lungul anilor tema „energiei libere” a păcălit oamenii din nou și din nou. Problema constă în densitatea de energie a semnalelor. Puterea maximă pe care o poate utiliza un hotspot Wi-Fi fără o licență de difuzare dedicată este de obicei de 100 de miliwați (mW). Acest 100mW radiază în toate direcțiile, răspândindu-se pe suprafața unei sfere centrată pe AP.
Chiar dacă telefonul dvs. mobil ar colecta toată această putere cu o eficiență de 100%, ar dura încă câteva zile pentru a încărca bateria iPhone-ului, iar amprenta mică a telefonului și distanța până la hotspot ar limita sever cantitatea de energie pe care ar putea să o colecteze de la aceste semnale. Noul dispozitiv al MIT va putea capta aproximativ 40 de microviți de energie atunci când este expus la o densitate Wi-Fi tipică de 150 de microviți: nu este suficient pentru a alimenta un iPhone, ci suficient pentru un afișaj simplu sau senzor wireless la distanță.
Din acest motiv, este mult mai probabil ca încărcarea fără fir pentru gadget-uri mai mari să se bazeze pe încărcarea prin inducție, care este deja capabilă să alimenteze dispozitivele până la un metru distanță dacă nu există nimic între încărcătorul wireless și obiectul de încărcare.
Cu toate acestea, energia RF din jur poate fi utilizată pentru alimentarea anumitor tipuri de dispozitive - cum credeți că au funcționat radiourile sovietice? Și viitorul Internet al obiectelor va folosi cu siguranță aceste modele alimentare. Rămâne doar să creezi senzori cu un consum redus de energie.
Co-autorul Jesús Grajal de la Universitatea Tehnică din Madrid vede utilizarea potențială a dispozitivelor medicale implantabile: o pastilă pe care un pacient o poate înghiți va transfera datele de sănătate înapoi pe un computer pentru diagnostic. „În mod ideal, nu am vrea să folosim baterii pentru a alimenta astfel de sisteme, deoarece dacă ar lăsa să treacă litiu, pacientul ar putea muri”, spune Grajal. „Este mult mai bine să recoltăm energie din mediu pentru a alimenta aceste mici laboratoare din corp și pentru a transmite date către computerele externe”.
Eficiența curentă a dispozitivului este de aproximativ 30-40%, comparativ cu 50-60% pentru rectena tradițională. Alături de concepte precum piezoelectricitatea (materiale care generează electricitate atunci când sunt stoarse sau întinse fizic), electricitatea generată de bacterii și căldura mediului, electricitatea „fără fir” poate deveni una dintre sursele de energie pentru microelectronica viitorului.
Ilya Khel
