Predstavljajte si svet, v katerem pametni telefoni, prenosniki, nosljiva oprema in druga elektronika delujejo brez baterij. Raziskovalci na Massachusetts Institute of Technology so naredili korak v tej smeri z izdajo prve popolnoma prilagodljive naprave, ki lahko energijo iz signalov Wi-Fi pretvori v električno energijo v energetsko elektroniko.
Kaj je rectenna
Rectenna je naprava, ki pretvarja elektromagnetne valove izmeničnega toka v enosmerni tok. Raziskovalci so v reviji Nature opisali novo vrsto le-tega. Uporablja prilagodljivo radiofrekvenčno anteno, ki zajema elektromagnetne valove, vključno z Wi-Fi. Poveže se z dvodimenzionalnim polprevodnikom, debelim več atomov. Izmenični tok teče v polprevodnik, ki ga pretvori v enosmerni tok, kar vam omogoča napajanje elektronskih vezij ali polnjenje baterij.
Tako naprava pasivno zajema in pretvarja signale Wi-Fi v enosmerni tok. Je prilagodljiv in se lahko proizvaja v zvitkih, da pokrije veliko površino.
Nova pot do moči interneta stvari
»Kaj pa, če ustvarimo elektronske sisteme, ki se ovijejo okoli mostu ali pokrivajo celotno steno avtoceste ali pisarne in dajejo elektronsko inteligenco vsemu, kar nas obkroža? Kako napajamo vso to elektroniko? Sprašuje soavtor Thomas Palacios, profesor na Oddelku za elektrotehniko in računalništvo in direktor Centra za grafenske naprave in 2D sisteme v laboratorijih mikrosistemske tehnologije. "Pripravili smo nov način za poganjanje elektronskih sistemov prihodnosti, ki zbira energijo Wi-Fi na način, ki ga je mogoče enostavno integrirati na večja območja, tako da vsi predmeti okoli nas pridobijo inteligenco."
Promocijski video:
Obetavne zgodnje aplikacije za predlagano rečeno vključujejo napajanje prilagodljive in nosljive elektronike, medicinskih naprav in senzorjev IoT. Prilagodljivi pametni telefoni so na primer vroč nov trg za velika tehnološka podjetja. Eksperimentalna naprava ustvari približno 40 μW moči, če je izpostavljena tipičnim nivojem moči signala Wi-Fi (približno 150 μW). To je več kot dovolj za osvetlitev preprostega zaslona mobilnega telefona ali napajalnih čipov.
Uporaba v medicini
Po mnenju raziskovalca na Tehnični univerzi v Madridu Jesúsa Grajala je ena od možnih aplikacij razvoja zagotavljanje prenosa podatkov za vsadljive medicinske pripomočke. Na primer tablete, ki bodo podatke o bolnikovem zdravju prenašale v računalnik za nadaljnjo diagnozo.
"Nevarno je uporabljati baterije za napajanje teh sistemov, ker če bo litij puščal, bo bolnik umrl," pravi Grahal. "Veliko bolje je, če iz okolja pridobivamo energijo za napajanje teh majhnih laboratorijev v telesu in prenos podatkov na zunanje računalnike."
Prilagodljiv usmernik
Vse retente se opirajo na komponento, imenovano "usmernik", ki pretvori AC v DC. V tradicionalnih retenah je usmernik izdelan iz silicija ali galijevega arzenida. Ti materiali lahko pokrivajo frekvence Wi-Fi, vendar so težki. Čeprav so za izdelavo majhnih naprav razmeroma poceni, bi bilo pokrivanje velikih površin, kot so površine stavb in zidov, pretirano drago. Raziskovalci že dolgo poskušajo rešiti te težave. Nekaj prilagodljivih rekten, o katerih so poročali doslej, delujejo na nizkih frekvencah in ne morejo zajemati in pretvarjati gigaherčnih signalov, kar je večina signalov mobilnega telefona in Wi-Fi.
Za ustvarjanje njihovega usmernika so raziskovalci uporabili nov dvodimenzionalni material, molibden disulfid (MoS2), ki je v debelini 3 atomov ena najtanjših polprevodniških naprav na svetu. Ekipa je uporabila nenavadno vedenje MoS2: ko so atomi materiala izpostavljeni nekaterim kemikalijam, se preuredijo tako, da deluje kot stikalo in povzroči fazni prehod iz polprevodnika v kovinski material. Ta struktura je znana kot Schottkyjeva dioda.
"Z ustvarjanjem MoS2 v 2D faznem prehodu polprevodnik-kovina smo zgradili tanko, ultra hitro Schottkyjevo diodo, ki hkrati zmanjša serijsko upornost in parazitsko kapacitivnost," pravi avtor projekta Xu Zhang.
Parazitska kapacitivnost je v elektroniki neizogibna. Nekateri materiali ustvarjajo majhen električni naboj, ki upočasni vezje. Posledično manjša kapacitivnost pomeni večje hitrosti usmernika in višje delovne frekvence. Parazitska kapacitivnost Schottkyjeve diode je za velikost manjša od sodobnih prilagodljivih usmernikov, zato signal pretvori veliko hitreje in omogoča zajem in pretvorbo do 10 GHz.
"Ta zasnova ima popolnoma prilagodljivo napravo, ki je dovolj hitra, da pokrije večino radiofrekvenčnih pasov, ki jih uporablja vsakodnevna elektronika, vključno z Wi-Fi, Bluetooth, celičnim LTE in še več," pravi Zhang.
Učinkovitost fleksibilne retene
V opisanem delu so predlagane risbe drugih visoko zmogljivih prilagodljivih naprav. Najvišja izhodna učinkovitost trenutne naprave je v povprečju 40% in je odvisna od moči Wi-Fi. Tipični izkoristek MoS2 ima 30%. Za referenco izkoristek rekten iz tršega in dražjega silicijevega ali galijevega arzenida doseže 50–60%.
Zdaj razvojna skupina načrtuje gradnjo bolj zapletenih sistemov in izboljšanje učinkovitosti tehnologije.
Avtor: Sergey Prots