Tenk deg en verden der smarttelefoner, bærbare datamaskiner, wearables og annen elektronikk går uten batterier. Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har tatt et skritt i denne retningen med utgivelsen av den første fullt fleksible enheten som kan konvertere energien fra Wi-Fi-signaler til strøm til kraftelektronikk.
Hva er rectenna
En rectenna er en enhet som konverterer vekselstrøm elektromagnetiske bølger til likestrøm. Forskere beskrev en ny art av den i tidsskriftet Nature. Den bruker en fleksibel radiofrekvent antenne som fanger opp elektromagnetiske bølger, inkludert Wi-Fi. Den kobles til en todimensjonal halvleder med flere atomer tykk. Vekselstrømmen strømmer inn i halvlederen, som konverterer den til likestrøm, som lar deg drive elektroniske kretser eller lade batterier.
Dermed fanger og konverterer enheten passivt Wi-Fi-signaler til DC. Den er fleksibel og kan produseres i ruller for å dekke et stort område.
Den nye måten å drive tingenes internett på
“Hva om vi lager elektroniske systemer som brytes rundt en bro, eller dekker en hel motorvei eller kontorvegger og gir elektronisk intelligens til alt som omgir oss? Hvordan driver vi all denne elektronikken? Ber medforfatter Thomas Palacios, professor ved Institutt for elektroteknikk og informatikk og direktør for Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories. "Vi har kommet opp med en ny måte å drive fremtidens elektroniske systemer på, og høste Wi-Fi-energi på en måte som enkelt kan integreres over store områder, slik at alle objekter rundt oss får intelligens."
Kampanjevideo:
Lovende tidlige applikasjoner for den foreslåtte rectenna inkluderer strømforsyning av fleksibel og bærbar elektronikk, medisinsk utstyr og IoT-sensorer. Fleksible smarttelefoner er for eksempel et nytt nytt marked for store teknologibedrifter. Den eksperimentelle enheten genererer omtrent 40 μW strøm når den utsettes for typiske Wi-Fi-signaleffektnivåer (ca. 150 μW). Dette er mer enn nok til å lyse opp en enkel mobiltelefonskjerm eller strømchips.
Søknad i medisin
Ifølge en forsker ved det tekniske universitetet i Madrid, Jesús Grajal, er en av de mulige bruksområdene for utviklingen å gi dataoverføring for implanterbare medisinske apparater. For eksempel piller som vil overføre data om pasientens helse til en datamaskin for påfølgende diagnose.
"Det er farlig å bruke batterier til å drive disse systemene. Hvis litium lekker, vil pasienten dø," sier Grahal. "Det er mye bedre å høste energi fra miljøet for å drive disse små laboratoriene i kroppen og overføre data til eksterne datamaskiner."
Fleksibel likeretter
Alle rektenner er avhengige av en komponent kjent som en "likeretter" som konverterer AC til DC. I tradisjonelle rektenner er likeretteren laget av silisium eller galliumarsenid. Disse materialene kan dekke Wi-Fi-frekvenser, men de er tøffe. Selv om de er relativt rimelige å bruke til å lage små enheter, vil det være uoverkommelig å dekke store områder som overflater på bygninger og vegger. Forskere har lenge prøvd å løse disse problemene. Men noen få fleksible rektenner som hittil er rapportert, opererer ved lave frekvenser og kan ikke fange opp og konvertere gigahertz-signaler, som de fleste mobiltelefon- og Wi-Fi-signaler er.
For å lage sin likeretter, brukte forskerne et nytt todimensjonalt materiale, molybdendisulfid (MoS2), som med en tykkelse på 3 atomer er en av de tynneste halvlederapparatene i verden. Teamet brukte den uvanlige oppførselen til MoS2: når de utsettes for visse kjemikalier, omorganiseres atomer i materialet på en slik måte at det fungerer som en bryter, og forårsaker en faseovergang fra en halvleder til et metallisk materiale. Denne strukturen er kjent som en Schottky-diode.
"Ved å skape MoS2 i en 2D-halvleder-metall faseovergang, bygde vi en tynn, ultra-rask Schottky-diode som samtidig minimerer seriemotstand og parasittkapasitans," sier prosjektforfatter Xu Zhang.
Parasittisk kapasitans er uunngåelig i elektronikk. Noen materialer bygger opp en liten elektrisk ladning som bremser kretsen. Følgelig betyr lavere kapasitans høyere likeretterhastigheter og høyere driftsfrekvenser. Den parasittiske kapasitansen til en Schottky-diode er en størrelsesorden mindre enn moderne fleksible likerettere, så den konverterer signalet mye raskere og lar deg fange og konvertere opptil 10 GHz.
"Denne designen har en fullt fleksibel enhet som er rask nok til å dekke de fleste radiofrekvensbånd som brukes av daglig elektronikk, inkludert Wi-Fi, Bluetooth, mobil LTE og mer," sier Zhang.
Effektiviteten til fleksibel rektenna
I det beskrevne arbeidet foreslås tegninger av andre høyytelses fleksible innretninger. Maksimal utgangseffektivitet for den nåværende enheten er i gjennomsnitt 40% og avhenger av Wi-Fi-strømmen. MoS2-likeretteren har en typisk effektivitet på 30%. Som referanse når effektiviteten til rektenner laget av hardere og dyrere silisium eller galliumarsenid 50-60%.
Nå planlegger utviklingsteamet å bygge mer komplekse systemer og forbedre effektiviteten til teknologien.
Forfatter: Sergey Prots
