Våre øyne er bare innstilt på et smalt bånd med mulige bølgelengder av elektromagnetisk stråling, i størrelsesorden 390-700 nanometer. Hvis du kunne se verden med forskjellige bølgelengder, ville du vite at i et urbant område blir du opplyst selv i mørket - infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger er overalt. Noe av denne elektromagnetiske strålingen fra miljøet sendes ut av gjenstander som sprer elektronene overalt, og noen bærer radio- og Wi-Fi-signalene som ligger til grunn for kommunikasjonssystemene våre. All denne strålingen bærer også energi.
Hva om vi kunne utnytte energien til elektromagnetiske bølger?
Forskere ved Massachusetts Institute of Technology presenterte en studie som dukket opp i tidsskriftet Nature og detaljert hvordan de kom ned til praktisk implementering av dette målet. De utviklet den første fullt bøybare enheten som kan konvertere energi fra Wi-Fi-signaler til brukbar likestrøm.
Enhver enhet som kan konvertere vekselstrømssignaler til likestrøm (DC) kalles en rettende antenne. Antennen plukker opp elektromagnetisk stråling og omdanner den til vekselstrøm. Den passerer deretter gjennom en diode som konverterer den til likestrøm for bruk i elektriske kretser.
Rektenner ble først foreslått på 1960-tallet og ble til og med brukt til å demonstrere en mikrobølgedrevet helikoptermodell i 1964 av oppfinneren William Brown. På dette stadiet drømte futurister allerede om trådløs overføring av energi over lange avstander og til og med bruk av rektenner for å samle solenergi i rommet fra satellitter og overføre den til jorden.
Optisk rektenna
Kampanjevideo:
I dag tillater ny teknologi for å jobbe på nanoskala mange nye ting. I 2015 samlet forskere ved Georgia Institute of Technology den første optiske rektennaen som var i stand til å håndtere høye frekvenser i det synlige spekteret fra karbonnanorør.
Så langt har disse nye optiske rektennene lav effektivitet, rundt 0,1 prosent, og kan derfor ikke konkurrere med den økende effektiviteten til solcelleanlegg. Men den teoretiske grensen for rectenna-baserte solceller er sannsynligvis høyere enn Shockley-Kuisser-grensen for solceller, og kan nå 100% når den blir belyst med stråling av en viss frekvens. Dette muliggjør effektiv trådløs kraftoverføring.
Den nye delen av enheten, produsert av MIT, benytter seg av en fleksibel RF-antenne som kan fange bølgelengder tilknyttet Wi-Fi-signaler og konvertere dem til vekselstrøm. Så, i stedet for en tradisjonell diode for å konvertere den aktuelle strømmen til DC, bruker den nye enheten en "todimensjonal" halvleder bare noen få atomer tykk, og skaper en spenning som kan brukes til å drive bærbare enheter, sensorer, medisinsk utstyr eller elektronikk i store områder.
De nye rektennene er sammensatt av todimensjonale (2D) materialer - molybdendisulfid (MoS2), som bare er tre atomer tykke. En av dens bemerkelsesverdige egenskaper er reduksjonen av parasittkapasitans - materialets tendens i elektriske kretser til å fungere som kondensatorer, og holder en viss ladning. I DC-elektronikk kan dette begrense hastigheten til signalomformere og evnen til enheter å svare på høye frekvenser. De nye molybdendisulfidektennene har en størrelsesorden lavere parasittkapasitans enn de som hittil er utviklet, noe som gjør det mulig for enheten å fange signaler opp til 10 GHz, inkludert i rekkevidden av typiske Wi-Fi-enheter.
Et slikt system vil ha færre problemer med batterier: dets livssyklus vil være mye lengre, elektriske enheter vil bli ladet av omgivende stråling og det vil ikke være behov for å kaste komponenter, slik det er tilfelle med batterier.
“Hva om vi kunne utvikle elektroniske systemer som ville vikle seg rundt en bro eller som ville dekke en hel motorvei, veggene på kontoret vårt og gi elektronisk intelligens til alt som omgir oss? Hvordan skal du drive all denne elektronikken?”Ber medforfatter Thomas Palacios, professor ved Institutt for elektroteknikk og informatikk ved Massachusetts Institute of Technology. "Vi har kommet opp med en ny måte å drive fremtidens elektroniske systemer på."
Bruk av 2D-materialer gjør det mulig å produsere fleksibel elektronikk billig, og potensielt tillate oss å plassere dem over store områder for å samle stråling. Fleksible enheter kan brukes til å utstyre et museum eller veidekke, og det ville være mye billigere enn å bruke rektenner fra tradisjonelle silisium- eller galliumarsenid-halvledere.
Kan jeg lade telefonen fra Wi-Fi-signaler?
Dessverre virker dette alternativet svært usannsynlig, selv om temaet "fri energi" i løpet av årene har lurt folk igjen og igjen. Problemet ligger i energitettheten til signalene. Maksimal effekt som et Wi-Fi-hotspot kan bruke uten en dedikert kringkastingslisens er vanligvis 100 milliwatt (mW). Denne 100 mW stråler i alle retninger og spres over overflaten til en kule sentrert på AP.
Selv om mobiltelefonen samlet inn all denne kraften med 100 prosent effektivitet, ville det fortsatt ta dager å lade iPhone-batteriet, og telefonens lille fotavtrykk og avstand til hotspot ville begrense mengden energi den kunne samle fra disse signalene. MITs nye enhet vil være i stand til å fange opp rundt 40 mikrowatt strøm når den utsettes for en typisk Wi-Fi-tetthet på 150 mikrowatt: ikke nok til å drive en iPhone, men nok til en enkel skjerm eller ekstern trådløs sensor.
Av denne grunn er det mye mer sannsynlig at trådløs lading for større dingser vil stole på induksjonslading, som allerede er i stand til å drive enheter opptil en meter unna hvis det ikke er noe mellom den trådløse laderen og ladeobjektet.
Imidlertid kan den omkringliggende RF-energien brukes til å drive visse typer enheter - hvordan tror du sovjetiske radioer fungerte? Og det kommende tingenes internett vil definitivt bruke disse matmodellene. Det gjenstår bare å lage sensorer med lavt strømforbruk.
Medforfatter Jesús Grajal fra det tekniske universitetet i Madrid ser potensiell bruk i implanterbare medisinsk utstyr: en pille som en pasient kan svelge, vil overføre helsedata tilbake til en datamaskin for diagnose. "Ideelt sett vil vi ikke bruke batterier til å drive slike systemer, for hvis de slipper gjennom litium, kan pasienten dø," sier Grajal. "Det er mye bedre å høste energi fra miljøet for å drive disse små laboratoriene i kroppen og overføre data til eksterne datamaskiner."
Nåværende enhetseffektivitet er rundt 30-40% sammenlignet med 50-60% for tradisjonelle rektenner. Sammen med begreper som piezoelektrisitet (materialer som genererer elektrisitet når de blir fysisk presset eller strukket), elektrisitet som genereres av bakterier og varmen fra miljøet, kan "trådløs" elektrisitet godt bli en av fremtidens strømkilder for mikroelektronikk.
Ilya Khel
