Wyobraź sobie świat, w którym smartfony, laptopy, urządzenia do noszenia i inna elektronika działają bez baterii. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology zrobili krok w tym kierunku, wypuszczając pierwsze w pełni elastyczne urządzenie, które może konwertować energię z sygnałów Wi-Fi na energię elektryczną do energoelektroniki.
Co to jest rectenna
Rectenna to urządzenie, które przekształca fale elektromagnetyczne prądu przemiennego w prąd stały. Naukowcy opisali jego nowy gatunek w czasopiśmie Nature. Wykorzystuje elastyczną antenę radiową, która wychwytuje fale elektromagnetyczne, w tym Wi-Fi. Łączy się z dwuwymiarowym półprzewodnikiem o grubości kilku atomów. Prąd przemienny wpływa do półprzewodnika, który przekształca go w prąd stały, co pozwala na zasilanie układów elektronicznych lub ładowanie akumulatorów.
W ten sposób urządzenie biernie przechwytuje i konwertuje sygnały Wi-Fi na prąd stały. Jest elastyczny i można go produkować w rolkach, aby pokryć duży obszar.
Nowy sposób na zasilenie Internetu przedmiotów
„A co, jeśli stworzymy systemy elektroniczne, które owijają się wokół mostu lub pokrywają całą autostradę lub ściany biura i dają inteligencję elektroniczną wszystkiemu, co nas otacza? Jak zasilamy całą tę elektronikę? - pyta współautor Thomas Palacios, profesor na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki oraz dyrektor Centrum Urządzeń Grafenowych i Systemów 2D w Laboratoriach Technologii Mikrosystemów. „Wymyśliliśmy nowy sposób zasilania systemów elektronicznych przyszłości, zbierając energię Wi-Fi w sposób, który można łatwo zintegrować na dużych obszarach, aby wszystkie obiekty wokół nas zyskały inteligencję”.
Film promocyjny:
Obiecujące wczesne zastosowania proponowanej rectenna obejmują zasilanie elastycznej i nadającej się do noszenia elektroniki, urządzeń medycznych i czujników IoT. Na przykład elastyczne smartfony to nowy gorący rynek dla dużych firm technologicznych. Eksperymentalne urządzenie generuje około 40 μW mocy pod wpływem typowych poziomów mocy sygnału Wi-Fi (około 150 μW). To więcej niż wystarczające, aby oświetlić prosty wyświetlacz telefonu komórkowego lub układ scalony.
Zastosowanie w medycynie
Według naukowca z Uniwersytetu Technicznego w Madrycie, Jesúsa Grajala, jednym z możliwych zastosowań tego opracowania jest zapewnienie transmisji danych do wszczepialnych urządzeń medycznych. Na przykład tabletki, które będą przenosić dane o stanie zdrowia pacjenta do komputera w celu późniejszej diagnozy.
„Używanie baterii do zasilania tych systemów jest niebezpieczne, ponieważ w przypadku wycieku litu pacjent umrze” - mówi Grahal. „O wiele lepiej jest zbierać energię ze środowiska, aby zasilać te małe laboratoria wewnątrz ciała i przesyłać dane do zewnętrznych komputerów”.
Elastyczny prostownik
Wszystkie prostowniki opierają się na komponencie znanym jako „prostownik”, który przekształca prąd przemienny w prąd stały. W tradycyjnych rectennach prostownik jest wykonany z arsenku krzemu lub galu. Materiały te mogą obejmować częstotliwości Wi-Fi, ale są trudne. Chociaż są one stosunkowo niedrogie w produkcji małych urządzeń, pokrycie dużych obszarów, takich jak powierzchnie budynków i ścian, byłoby zbyt drogie. Naukowcy od dawna próbują rozwiązać te problemy. Ale kilka elastycznych prostenn, o których do tej pory donoszono, działa na niskich częstotliwościach i nie może przechwytywać i konwertować sygnałów gigahercowych, którymi jest większość sygnałów telefonów komórkowych i Wi-Fi.
Do stworzenia prostownika naukowcy wykorzystali nowy dwuwymiarowy materiał, dwusiarczek molibdenu (MoS2), który przy grubości 3 atomów jest jednym z najcieńszych elementów półprzewodnikowych na świecie. Zespół wykorzystał niezwykłe zachowanie MoS2: po wystawieniu na działanie pewnych chemikaliów atomy materiału przestawiają się w taki sposób, że działa on jak przełącznik, powodując przejście fazowe z półprzewodnika do materiału metalicznego. Ta struktura jest znana jako dioda Schottky'ego.
„Tworząc MoS2 w dwuwymiarowym przejściu fazowym półprzewodnik-metal, zbudowaliśmy cienką, ultraszybką diodę Schottky'ego, która jednocześnie minimalizuje opór szeregowy i pojemność pasożytniczą” - mówi autor projektu Xu Zhang.
W elektronice pojemność pasożytnicza jest nieunikniona. Niektóre materiały wytwarzają niewielki ładunek elektryczny, który spowalnia obwód. W konsekwencji mniejsza pojemność oznacza wyższe prędkości prostownika i wyższe częstotliwości robocze. Pasożytnicza pojemność diody Schottky'ego jest o rząd wielkości mniejsza niż w nowoczesnych elastycznych prostownikach, dzięki czemu konwertuje sygnał znacznie szybciej i pozwala na wychwycenie i konwersję do 10 GHz.
„Ten projekt zawiera w pełni elastyczne urządzenie, które jest wystarczająco szybkie, aby pokryć większość pasm częstotliwości radiowych używanych na co dzień w elektronice, w tym Wi-Fi, Bluetooth, komórkowe LTE i inne” - mówi Zhang.
Skuteczność elastycznej prostnicy
W opisanej pracy zaproponowano rysunki innych elastycznych urządzeń o wysokiej wydajności. Maksymalna wydajność wyjściowa obecnego urządzenia wynosi średnio 40% i zależy od mocy Wi-Fi. Prostownik MoS2 ma typową sprawność 30%. Dla porównania, sprawność rectenn wykonanych z twardszego i droższego arsenku krzemu lub galu sięga 50-60%.
Zespół programistów planuje teraz zbudować bardziej złożone systemy i poprawić wydajność technologii.
Autor: Sergey Prots