Képzeljen el egy olyan világot, ahol az okostelefonok, laptopok, hordozható eszközök és egyéb elektronikai elemek akkumulátor nélkül működnek. A Massachusettsi Műszaki Intézet kutatói tettek egy lépést ebbe az irányba az első teljesen rugalmas eszköz kiadásával, amely képes átalakítani a Wi-Fi jelek energiáját az elektronika áramellátásához szükséges villamos energiává.
Mi a rectenna
A rectenna olyan eszköz, amely a váltakozó áramú elektromágneses hullámokat egyenárammá alakítja. A kutatók egy új fajt írtak le a Nature folyóiratban. Rugalmas rádiófrekvenciás antennát használ, amely rögzíti az elektromágneses hullámokat, beleértve a Wi-Fi-t is. Két dimenziós, több atom vastag félvezetőhöz csatlakozik. A váltakozó áram a félvezetőbe áramlik, amely egyenárammá alakítja, ami lehetővé teszi az elektronikus áramkörök áramellátását vagy az akkumulátorok töltését.
Így a készülék passzívan rögzíti és átalakítja a Wi-Fi jeleket DC-vé. Rugalmas és nagy területet lefedő tekercsben állítható elő.
A dolgok internetének áramellátásának új módja
„Mi van, ha olyan elektronikus rendszereket hozunk létre, amelyek körbeveszik a hidat, vagy egy teljes autópálya vagy iroda falát lefedik, és elektronikus intelligenciát adnak mindannak, ami körülvesz minket? Hogyan tápláljuk ezt az elektronikát? Megkérdezi Thomas Palacios társszerzőt, az Elektrotechnikai és Számítástudományi Tanszék professzorát, valamint a Graféneszközök és 2D rendszerek központjának igazgatóját a Mikroszintű Technológiai Laboratóriumokban. "Kitaláltunk egy új módszert a jövő elektronikus rendszereinek áramellátására, a Wi-Fi energiát nagy területeken egyszerűen integrálható módon gyűjtöttük össze, hogy a körülöttünk lévő összes objektum intelligenciát szerezzen."
Promóciós videó:
A javasolt rectenna ígéretes korai alkalmazásai közé tartozik a rugalmas és viselhető elektronika, az orvostechnikai eszközök és az IoT érzékelők áramellátása. A rugalmas okostelefonok például forró új piacot jelentenek a nagy technológiai cégek számára. A kísérleti eszköz körülbelül 40 μW teljesítményt termel, ha tipikus Wi-Fi jel teljesítményszintnek van kitéve (kb. 150 μW). Ez több, mint egy egyszerű mobiltelefon-kijelző vagy áramforrás megvilágításához.
Alkalmazás az orvostudományban
Jesús Grajal, a madridi Műszaki Egyetem kutatója szerint a fejlesztés egyik lehetséges alkalmazási lehetősége a beültethető orvostechnikai eszközök adatátvitelének biztosítása. Például olyan tabletták, amelyek a beteg egészségi állapotáról adatokat továbbítanak egy számítógépre a későbbi diagnózis érdekében.
"Veszélyes elemeket használni ezeknek a rendszereknek az áramellátásához, mert ha a lítium szivárog, a beteg meghal" - mondja Grahal. "Sokkal jobb, ha energiát gyűjtünk a környezetből, hogy ezeket a kis laboratóriumokat a test belsejében működtessük, és adatokat továbbítsunk külső számítógépekre."
Rugalmas egyenirányító
Az összes rektenna egy "egyenirányító" néven ismert alkatrészre támaszkodik, amely átalakítja az AC-t DC-vé. A hagyományos rectennákban az egyenirányító szilíciumból vagy gallium-arzenidből készül. Ezek az anyagok képesek lefedni a Wi-Fi frekvenciákat, de kemények. Noha viszonylag olcsón használhatók kis készülékek készítéséhez, nagy területek, például az épületek és a falak burkolása megfizethetetlenül drága lenne. A kutatók régóta próbálják megoldani ezeket a problémákat. De néhány olyan hajlékony rektenna, amelyről eddig beszámoltak, alacsony frekvenciákon működik, és nem képesek gigahertzes jeleket rögzíteni és átalakítani, ami a legtöbb mobiltelefon és Wi-Fi jel.
Egyenirányítójuk elkészítéséhez a kutatók egy új kétdimenziós anyagot, a molibdén-diszulfidot (MoS2) használtak fel, amely 3 atom vastagsággal az egyik legvékonyabb félvezető eszköz a világon. A csapat a MoS2 szokatlan viselkedését alkalmazta: amikor bizonyos vegyi anyagoknak vannak kitéve, az anyag atomjai úgy rendeződnek át, hogy kapcsolóként működnek, ami egy félvezetőből egy fémes anyagba fázisátmenetet okoz. Ezt a szerkezetet Schottky-diódának nevezik.
"Azáltal, hogy a MoS2-t 2D-s félvezető-fém fázisátmenetben hoztuk létre, egy vékony, ultragyors Schottky-diódát építettünk, amely egyszerre minimalizálja a sorozatellenállást és a parazita kapacitást" - mondja Xu Zhang, a projekt szerzője.
A parazita kapacitás elkerülhetetlen az elektronikában. Egyes anyagok kis elektromos töltést képeznek, ami lelassítja az áramkört. Következésképpen az alacsonyabb kapacitás nagyobb egyenirányító sebességet és magasabb működési frekvenciákat jelent. A Schottky-dióda parazita kapacitása nagyságrenddel kisebb, mint a modern rugalmas egyenirányítók, ezért sokkal gyorsabban alakítja át a jelet, és lehetővé teszi, hogy 10 GHz-ig rögzítsen és átalakítson.
"Ez a kialakítás teljesen rugalmas eszközzel rendelkezik, amely elég gyors ahhoz, hogy lefedje a napi elektronika által használt rádiófrekvenciás sávok nagy részét, beleértve a Wi-Fi-t, a Bluetooth-ot, a mobil LTE-t és még sok mást" - mondja Zhang.
A rugalmas rectenna hatékonysága
A leírt munkában más nagy teljesítményű rugalmas eszközök rajzait javasoljuk. Az aktuális eszköz maximális kimeneti hatékonysága átlagosan 40%, és a Wi-Fi teljesítményétől függ. Az MoS2 egyenirányító tipikus hatékonysága 30%. Összehasonlításképpen, a keményebb és drágább szilíciumból vagy gallium-arzénból készült rektennák hatékonysága eléri az 50-60% -ot.
A fejlesztőcsoport most összetettebb rendszerek kiépítését és a technológia hatékonyságának javítását tervezi.
Szerző: Sergey Prots