A szemünk csak az elektromágneses sugárzás lehetséges hullámhosszainak keskeny sávjára van hangolva, 390-700 nanométer nagyságrendűre. Ha különböző hullámhosszakon láthatná a világot, akkor tudná, hogy egy városi területen még a sötétben is meg van világítva - mindenhol infravörös sugárzás, mikrohullámok és rádióhullámok vannak. Ennek a környezetből származó elektromágneses sugárzásnak egy részét olyan tárgyak bocsátják ki, amelyek szétszórják az elektronjaikat, más részükön továbbítják a kommunikációs rendszereink alapjául szolgáló rádió- és Wi-Fi-jeleket. Mindez a sugárzás energiát is hordoz.
Mi lenne, ha hasznosíthatnánk az elektromágneses hullámok energiáját?
A Massachusettsi Műszaki Intézet kutatói bemutattak a Nature folyóiratban megjelent tanulmányt, amely részletesen leírta, hogyan jutottak el ennek a célnak a gyakorlati megvalósításához. Kidolgozták az első teljesen hajlítható eszközt, amely képes átalakítani a Wi-Fi jelekből származó energiát használható DC villamos energiává.
Bármely eszközt, amely képes átalakítani az AC jeleket egyenárammá (DC), egyenirányító antennának nevezzük. Az antenna felveszi az elektromágneses sugárzást, váltakozó árammá alakítva. Ezután áthalad egy diódán, amely átalakítja egyenárammá elektromos áramkörökben történő felhasználásra.
A rektennákat először a hatvanas években javasolták, sőt William Brown feltaláló 1964-ben mikrohullámú meghajtású helikoptermodell bemutatására is felhasználta őket. Ebben a szakaszban a futuristák már arról álmodoztak, hogy nagy távolságokon keresztül vezeték nélkül továbbítsák az energiát, sőt, még egyenesek használatával is gyűjthetik a műholdakból az űr napenergiáját és továbbíthatják a Földre.
Optikai rectenna
Promóciós videó:
Manapság a nanoméretű munkavégzés új technológiái sok új dolgot tesznek lehetővé. 2015-ben a georgiai technológiai intézet kutatói összeszerelték az első optikai egyenirányítót, amely képes a szén nanocsövekből származó látható spektrumban lévő magas frekvenciák kezelésére.
Eddig ezeknek az új optikai rectennáknak alacsony a hatásfoka, mintegy 0,1 százalék, ezért nem tudnak versenyezni a fotovoltaikus napelemek növekvő hatékonyságával. De a rektenna-alapú napelemek elméleti határértéke valószínűleg magasabb, mint a napelemek Shockley-Kuisser-határértéke, és elérheti a 100% -ot, ha bizonyos frekvenciájú sugárzással megvilágítják. Ez lehetővé teszi a hatékony vezeték nélküli energiaátvitelt.
Az MIT által gyártott készülék új része kihasználja a rugalmas RF antenna előnyeit, amely képes rögzíteni a Wi-Fi jelekhez tartozó hullámhosszakat, és váltakozó áramúvá alakítani. Ezután a hagyományos dióda helyett, amely ezt az áramot DC-vé alakítja, az új eszköz csak néhány atom vastagságú "kétdimenziós" félvezetőt használ, ami olyan feszültséget hoz létre, amely használható viselhető eszközök, érzékelők, orvosi eszközök vagy nagy területű elektronika áramellátására.
Az új rektennák kétdimenziós (2D) anyagokból készülnek - molibdén-diszulfidból (MoS2), amely csak három atom vastag. Az egyik figyelemre méltó tulajdonsága a parazita kapacitás csökkenése - az elektromos áramkörökben lévő anyagok hajlandósága kondenzátorként működni, bizonyos mennyiségű töltést tartva. A DC elektronikában ez korlátozhatja a jelátalakítók sebességét és az eszközök képességét, hogy reagáljanak a magas frekvenciákra. Az új molibdén-diszulfid rektennák nagyságrenddel alacsonyabb parazita kapacitással rendelkeznek, mint az eddig kifejlesztettek, ami lehetővé teszi az eszköz számára, hogy akár 10 GHz-es jeleket is rögzítsen, beleértve a tipikus Wi-Fi-eszközök tartományát is.
Egy ilyen rendszernek kevesebb problémája lenne az elemekkel: az életciklusa sokkal hosszabb lenne, az elektromos eszközöket a környezeti sugárzás töltené fel, és nem lenne szükség alkatrészek ártalmatlanítására, mint az akkumulátorok esetében.
„Mi lenne, ha olyan elektronikus rendszereket tudnánk kifejleszteni, amelyek körbevennék a hidat, vagy amelyek lefednék az egész autópályát, az irodánk falait, és elektronikus intelligenciát adnának mindannak, ami körülvesz minket? Hogyan fogja működtetni ezt az elektronikát? " "Új módszert találtunk ki a jövő elektronikus rendszereinek áramellátására."
A 2D anyagok használata lehetővé teszi a rugalmas elektronika olcsó előállítását, ami lehetővé teszi számunkra, hogy nagy területekre helyezzük őket a sugárzás összegyűjtése érdekében. Rugalmas eszközökkel lehetne múzeumot vagy útfelületet felszerelni, és ez sokkal olcsóbb lenne, mint a hagyományos szilícium- vagy gallium-arzén félvezetőkből származó rektennákat használni.
Tölthetem a telefonomat Wi-Fi jelekből?
Sajnos ez a lehetőség nagyon valószínűtlennek tűnik, bár az évek során a "szabad energia" témája újra és újra becsapta az embereket. A probléma a jelek energiasűrűségében rejlik. A maximális teljesítmény, amelyet egy Wi-Fi hotspot dedikált sugárzási engedély nélkül használhat, általában 100 milliwatt (mW). Ez a 100 mW minden irányban sugárzik, elterjedve az AP-re középre helyezett gömb felületén.
Még akkor is, ha mobiltelefonja ezt az energiát százszázalékos hatékonysággal gyűjtötte volna össze, akkor is napokba telik az iPhone akkumulátorának feltöltése, és a telefon kicsi lábnyoma és a hotspot távolsága jelentősen korlátozza az ezekből a jelekből összegyűjthető energia mennyiségét. Az MIT új készüléke körülbelül 40 mikrowatt energiát képes megragadni, ha 150 wattos Wi-Fi sűrűségnek van kitéve: ez nem elegendő az iPhone áramellátásához, de elegendő egy egyszerű kijelzőhöz vagy távoli vezeték nélküli érzékelőhöz.
Emiatt sokkal valószínűbb, hogy a nagyobb kütyük vezeték nélküli töltése az indukciós töltésre támaszkodik, amely már akár egy méteres távolságra is képes eszközöket táplálni, ha a vezeték nélküli töltő és a töltési objektum között nincs semmi.
A környező rádiófrekvenciás energia azonban felhasználható bizonyos típusú készülékek áramellátására - szerinted hogyan működtek a szovjet rádiók? És a készülő "Dolgok Internete" mindenképpen ezeket az élelmiszermodelleket fogja használni. Már csak az alacsony energiafogyasztású érzékelők létrehozása marad.
Társszerző, Jesús Grajal, a Madridi Műszaki Egyetem potenciális felhasználását látja a beültethető orvostechnikai eszközökben: egy tabletta, amelyet a beteg lenyelhet, az egészségügyi adatokat visszaadja a számítógépre a diagnózis érdekében. "Ideális esetben nem akarunk akkumulátorokat használni az ilyen rendszerek táplálásához, mert ha átengedik a lítiumot, a beteg meghalhat" - mondja Grajal. "Sokkal jobb, ha energiát gyűjtünk a környezetből, hogy ezeket a kis laboratóriumokat a test belsejében működtessük, és adatokat továbbítsunk külső számítógépekre."
Az eszköz jelenlegi hatékonysága 30-40% körüli, szemben a hagyományos rektennák 50-60% -ával. Az olyan fogalmak mellett, mint a piezoelektromosság (anyagok, amelyek fizikailag összenyomva vagy megnyújtva generálják az áramot), a baktériumok által termelt villamos energia és a környezet hője, a "vezeték nélküli" elektromosság a jövő mikroelektronikájának egyik áramforrásává válhat.
Ilya Khel