Naše oči so uglašene le na ozek pas možnih valovnih dolžin elektromagnetnega sevanja, približno 390-700 nanometrov. Če bi lahko videli svet na različnih valovnih dolžinah, bi vedeli, da ste v urbanem okolju osvetljeni tudi v temi - infrardeče sevanje, mikrovalovi in radijski valovi so povsod. Nekaj tega elektromagnetnega sevanja iz okolja oddajajo predmeti, ki svoje elektrone razpršijo povsod, nekateri pa prenašajo radijske in Wi-Fi signale, ki so osnova naših komunikacijskih sistemov. Vse to sevanje nosi tudi energijo.
Kaj pa, če bi lahko izkoristili energijo elektromagnetnih valov?
Raziskovalci na Massachusetts Institute of Technology so v reviji Nature predstavili študijo, ki podrobno opisuje, kako so se lotili praktičnega izvajanja tega cilja. Razvili so prvo popolnoma upogljivo napravo, ki lahko energijo iz signalov Wi-Fi pretvori v uporabno enosmerno elektriko.
Vsaka naprava, ki lahko pretvori izmenični signal v enosmerni tok (DC), se imenuje usmerna antena. Antena zajema elektromagnetno sevanje in ga pretvori v izmenični tok. Nato preide skozi diodo, ki jo pretvori v enosmerni tok za uporabo v električnih tokokrogih.
Rectenne je prvič predlagal v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, leta 1964 pa ga je izumitelj William Brown uporabil za prikaz modela mikrovalovnega helikopterja. Na tej stopnji so futuristi že sanjali o brezžičnem prenosu energije na velike razdalje in celo o uporabi rekten za zbiranje vesoljske sončne energije s satelitov in njeno oddajo na Zemljo.
Optična retena
Promocijski video:
Danes nove tehnologije za delo v nanometru omogočajo veliko novega. Leta 2015 so raziskovalci na Inštitutu za tehnologijo Georgia sestavili prvo optično rečeno, ki je sposobna obdelati visoke frekvence v vidnem spektru iz ogljikovih nanocevk.
Zaenkrat imajo te nove optične rektene nizko učinkovitost, okoli 0,1 odstotka, in zato ne morejo konkurirati vse večji učinkovitosti fotonapetostnih sončnih kolektorjev. Toda teoretična meja za sončne celice, ki temeljijo na rektini, je verjetno višja od Shockley-Kuisserjeve meje za sončne celice in lahko doseže 100%, če je osvetljena z določenim sevanjem. To omogoča učinkovit brezžični prenos moči.
Novi del naprave, ki ga proizvaja MIT, izkorišča prilagodljivo radiofrekvenčno anteno, ki lahko zajame valovne dolžine, povezane s signali Wi-Fi, in jih pretvori v izmenični tok. Nato nova naprava namesto tradicionalne diode za pretvorbo tega toka v enosmerni tok uporablja "dvodimenzionalni" polprevodnik debeline le nekaj atomov, kar ustvarja napetost, ki jo lahko uporabimo za napajanje nosljivih naprav, senzorjev, medicinskih naprav ali elektronike velikega območja.
Nove rektene so narejene iz dvodimenzionalnih (2D) materialov - molibdenovega disulfida (MoS2), ki je debel le tri atome. Ena njegovih izjemnih lastnosti je zmanjšanje parazitske kapacitivnosti - težnja materialov v električnih tokokrogih, da delujejo kot kondenzatorji in imajo določeno količino naboja. V enosmerni elektroniki lahko to omeji hitrost pretvornikov signalov in sposobnost odzivanja naprav na visoke frekvence. Nove retente molibden disulfida imajo za velikost nižjo parazitsko kapacitivnost od doslej razvitih, kar omogoča, da naprava zajema signale do 10 GHz, tudi v območju tipičnih naprav Wi-Fi.
Takšen sistem bi imel manj težav z baterijami: njegov življenjski cikel bi bil veliko daljši, električne naprave bi se polnile s sevanjem okolja in ne bi bilo treba odstranjevati komponent, kot je to pri baterijah.
»Kaj pa, če bi lahko razvili elektronske sisteme, ki bi se ovili okoli mostu ali ki bi pokrivali celotno avtocesto, stene naše pisarne in dali elektronsko inteligenco vsemu, kar nas obkroža? Kako boste poganjali vso to elektroniko? «Vpraša soavtor Thomas Palacios, profesor na Oddelku za elektrotehniko in računalništvo na Massachusetts Institute of Technology. "Pripravili smo nov način za poganjanje elektronskih sistemov prihodnosti."
Uporaba 2D materialov omogoča poceni izdelavo prilagodljive elektronike, ki nam lahko omogoči, da jo postavimo na večje površine za zbiranje sevanja. Prožne naprave bi lahko uporabili za opremljanje muzeja ali površine ceste in bi bilo veliko cenejše kot uporaba reten iz tradicionalnih polprevodnikov silicija ali galijevega arzenida.
Ali lahko telefon polnim iz signalov Wi-Fi?
Na žalost se zdi ta možnost zelo malo verjetna, čeprav je z leti tema o "brezplačni energiji" ljudi vedno znova prevarala. Težava je v energijski gostoti signalov. Največja moč, ki jo lahko dostopna točka Wi-Fi uporablja brez posebne licence za oddajanje, je običajno 100 milivatov (mW). Ta 100 mW seva v vse smeri in se širi po površini krogle s središčem na AP.
Tudi če bi vaš mobilni telefon vso to moč zbral s 100-odstotno učinkovitostjo, bi še vedno trajali dnevi, da se baterija iPhone napolni, majhen odtis telefona in oddaljenost od vroče točke pa bi močno omejil količino energije, ki bi jo lahko zbral iz teh signalov. Nova naprava MIT-a bo lahko zajela približno 40 mikrovatov moči, če bo izpostavljena tipični gostoti Wi-Fi 150 mikrovatov: ne dovolj za napajanje iPhona, ampak dovolj za preprost zaslon ali daljinski brezžični senzor.
Iz tega razloga je veliko bolj verjetno, da se bo brezžično polnjenje večjih pripomočkov zanašalo na indukcijsko polnjenje, ki že lahko napaja naprave do metra razdalje, če med brezžičnim polnilnikom in polnilnim predmetom ni ničesar.
Vendar pa se lahko okoliška radiofrekvenčna energija uporablja za napajanje nekaterih vrst naprav - kako mislite, kako so sovjetski radijski sprejemniki delovali? In prihajajoči "Internet stvari" bo vsekakor uporabil te modele hrane. Ostane le ustvariti senzorje z nizko porabo energije.
Soavtor Jesús Grajal s Tehnične univerze v Madridu vidi potencialno uporabo medicinskih pripomočkov za vsaditev: tableta, ki jo bolnik lahko pogoltne, prenese zdravstvene podatke nazaj v računalnik za diagnozo. "V idealnih razmerah ne bi želeli uporabljati baterij za napajanje takih sistemov, kajti če pustijo litij, lahko bolnik umre," pravi Grajal. "Veliko bolje je, če iz okolja pridobivamo energijo za napajanje teh majhnih laboratorijev v telesu in prenos podatkov na zunanje računalnike."
Trenutna učinkovitost naprave je približno 30-40% v primerjavi s 50-60% pri tradicionalnih retenah. Skupaj s koncepti, kot so piezoelektričnost (materiali, ki proizvajajo električno energijo, ko so fizično stisnjeni ali raztegnjeni), električna energija, ki jo proizvajajo bakterije, in toplota okolja, lahko "brezžična" elektrika postane eden od virov energije za mikroelektroniko prihodnosti.
Ilya Khel