Nasze oczy są dostrojone tylko do wąskiego pasma możliwych długości fal promieniowania elektromagnetycznego, rzędu 390-700 nanometrów. Gdybyś mógł widzieć świat na różnych długościach fal, wiedziałbyś, że na obszarze miejskim jesteś oświetlony nawet w ciemności - promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe są wszędzie. Część tego promieniowania elektromagnetycznego ze środowiska jest emitowana przez obiekty, które rozpraszają swoje elektrony w każdym miejscu, a niektóre przenoszą sygnały radiowe i Wi-Fi, które stanowią podstawę naszych systemów komunikacyjnych. Całe to promieniowanie niesie również energię.
A co by było, gdybyśmy mogli okiełznać energię fal elektromagnetycznych?
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology przedstawili badanie, które ukazało się w czasopiśmie Nature, szczegółowo opisując, w jaki sposób przystąpili do praktycznej realizacji tego celu. Opracowali pierwsze w pełni giętkie urządzenie, które może przekształcić energię z sygnałów Wi-Fi w użyteczną energię elektryczną DC.
Każde urządzenie, które może konwertować sygnały AC na prąd stały (DC), nazywane jest anteną prostowniczą. Antena odbiera promieniowanie elektromagnetyczne, zamieniając je na prąd przemienny. Następnie przechodzi przez diodę, która przekształca go w prąd stały do użytku w obwodach elektrycznych.
Rectennas zostały po raz pierwszy zaproponowane w latach 60. XX wieku, a nawet zostały użyte do zademonstrowania modelu helikoptera napędzanego mikrofalami w 1964 roku przez wynalazcę Williama Browna. Na tym etapie futuryści już marzyli o bezprzewodowej transmisji energii na duże odległości, a nawet wykorzystaniu rekten do zbierania kosmicznej energii słonecznej z satelitów i przesyłania jej na Ziemię.
Optyczna rektena
Film promocyjny:
Obecnie nowe technologie do pracy w nanoskali pozwalają na wiele nowych rzeczy. W 2015 roku naukowcy z Georgia Institute of Technology zmontowali pierwszą optyczną rektenę z nanorurek węglowych zdolną do obsługi wysokich częstotliwości w widmie widzialnym.
Jak dotąd te nowe optyczne prostenny mają niską sprawność, około 0,1 procent, a zatem nie mogą konkurować z rosnącą wydajnością fotowoltaicznych paneli słonecznych. Jednak teoretyczny limit dla ogniw słonecznych opartych na rektenie jest prawdopodobnie wyższy niż limit Shockleya-Kuissera dla ogniw słonecznych i może osiągnąć 100% przy oświetleniu promieniowaniem o określonej częstotliwości. Umożliwia to wydajną bezprzewodową transmisję energii.
Nowa część urządzenia, wyprodukowana przez MIT, wykorzystuje elastyczną antenę RF, która może przechwytywać długości fal związane z sygnałami Wi-Fi i przekształcać je w prąd przemienny. Następnie zamiast tradycyjnej diody do konwersji tego prądu na prąd stały, nowe urządzenie wykorzystuje „dwuwymiarowy” półprzewodnik o grubości zaledwie kilku atomów, wytwarzający napięcie, które można wykorzystać do zasilania urządzeń do noszenia, czujników, urządzeń medycznych lub elektroniki wielkopowierzchniowej.
Nowe rekteny są wykonane z dwuwymiarowych (2D) materiałów - dwusiarczku molibdenu (MoS2), który ma zaledwie trzy atomy. Jedną z jego niezwykłych właściwości jest redukcja pasożytniczej pojemności - tendencji materiałów w obwodach elektrycznych do działania jak kondensatory, utrzymujące pewien ładunek. W elektronice prądu stałego może to ograniczać prędkość przetworników sygnału i zdolność urządzeń do reagowania na wysokie częstotliwości. Nowe rekteny z dwusiarczku molibdenu mają o rząd wielkości mniejszą pojemność pasożytniczą niż dotychczas opracowane, co pozwala urządzeniu na wychwytywanie sygnałów do 10 GHz, w tym w zakresie typowych urządzeń Wi-Fi.
Taki system miałby mniej problemów z akumulatorami: jego cykl życia byłby znacznie dłuższy, urządzenia elektryczne byłyby ładowane promieniowaniem otoczenia i nie byłoby potrzeby pozbywania się komponentów, jak to ma miejsce w przypadku akumulatorów.
„A co by było, gdybyśmy mogli opracować systemy elektroniczne, które owijałyby się wokół mostu lub obejmowałyby całą autostradę, ściany naszego biura i dawałyby inteligencję elektroniczną wszystkim, co nas otacza? Jak zamierzasz zasilać całą tę elektronikę?”- pyta współautor Thomas Palacios, profesor na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki w Massachusetts Institute of Technology. „Wymyśliliśmy nowy sposób zasilania systemów elektronicznych przyszłości”.
Zastosowanie materiałów 2D pozwala na tanie wytwarzanie elastycznej elektroniki, co potencjalnie pozwala nam umieszczać ją na dużych obszarach w celu zbierania promieniowania. Elastyczne urządzenia można by wykorzystać do wyposażenia muzeum lub nawierzchni drogowej i byłoby to znacznie tańsze niż użycie rekten z tradycyjnych półprzewodników krzemowych lub arsenku galu.
Czy mogę naładować telefon za pomocą sygnałów Wi-Fi?
Niestety, opcja ta wydaje się wysoce nieprawdopodobna, chociaż przez lata temat „darmowej energii” wciąż na nowo oszukiwał ludzi. Problem tkwi w gęstości energii sygnałów. Maksymalna moc, z jakiej może korzystać hotspot Wi-Fi bez specjalnej licencji na nadawanie, wynosi zwykle 100 miliwatów (mW). To 100 mW promieniuje we wszystkich kierunkach, rozchodząc się po powierzchni kuli wyśrodkowanej na AP.
Nawet jeśli Twój telefon komórkowy zbierałby całą tę moc ze 100-procentową wydajnością, ładowanie baterii iPhone'a zajmowałoby wiele dni, a niewielki rozmiar telefonu i odległość od hotspotu poważnie ograniczyłyby ilość energii, którą mógłby zebrać z tych sygnałów. Nowe urządzenie MIT będzie w stanie przechwycić około 40 mikrowatów mocy po wystawieniu na typową gęstość Wi-Fi wynoszącą 150 mikrowatów: nie wystarczy do zasilania iPhone'a, ale wystarczy do prostego wyświetlacza lub zdalnego czujnika bezprzewodowego.
Z tego powodu znacznie bardziej prawdopodobne jest, że ładowanie bezprzewodowe większych gadżetów będzie polegać na ładowaniu indukcyjnym, które jest już w stanie zasilać urządzenia oddalone o metr, jeśli między ładowarką bezprzewodową a ładowanym obiektem nie ma nic.
Jednak otaczająca energia RF może zostać wykorzystana do zasilania niektórych typów urządzeń - jak myślisz, jak działały radzieckie radia? A nadchodzący „Internet rzeczy” z pewnością będzie korzystał z tych modeli żywności. Pozostaje tylko stworzyć czujniki o niskim zużyciu energii.
Współautor Jesús Grajal z Uniwersytetu Technicznego w Madrycie widzi potencjalne zastosowanie we wszczepianych urządzeniach medycznych: pigułka, którą pacjent może połknąć, przeniesie dane zdrowotne z powrotem do komputera w celu diagnozy. „Idealnie byłoby, gdybyśmy nie chcieli zasilać takich systemów bateriami, bo gdyby przepuściły lit, pacjent mógłby umrzeć” - mówi Grajal. „O wiele lepiej jest zbierać energię ze środowiska, aby zasilać te małe laboratoria wewnątrz ciała i przesyłać dane do zewnętrznych komputerów”.
Obecna sprawność urządzenia wynosi około 30-40% w porównaniu do 50-60% w przypadku tradycyjnych prostnic. Wraz z koncepcjami takimi jak piezoelektryczność (materiały wytwarzające energię elektryczną podczas fizycznego ściskania lub rozciągania), elektryczność wytwarzana przez bakterie i ciepło w środowisku, „bezprzewodowa” energia elektryczna może stać się jednym ze źródeł energii dla mikroelektroniki przyszłości.
Ilya Khel