Predstavte si svet, kde smartphony, notebooky, nositeľné zariadenia a iná elektronika fungujú bez batérií. Vedci z Massachusetts Institute of Technology urobili krok týmto smerom vydaním prvého plne flexibilného zariadenia, ktoré dokáže prevádzať energiu zo signálov Wi-Fi na elektrinu do výkonovej elektroniky.
Čo je to rectenna
Rekténa je zariadenie, ktoré prevádza elektromagnetické vlny striedavého prúdu na jednosmerný prúd. Vedci opísali nový druh v časopise Nature. Používa flexibilnú vysokofrekvenčnú anténu, ktorá zachytáva elektromagnetické vlny vrátane Wi-Fi. Spája sa s dvojrozmerným polovodičom hrubým niekoľko atómov. Striedavý prúd prúdi do polovodiča, ktorý ho premieňa na jednosmerný prúd, ktorý umožňuje napájanie elektronických obvodov alebo nabíjanie batérií.
Zariadenie teda pasívne zachytáva a prevádza signály Wi-Fi na DC. Je pružný a dá sa vyrobiť v rolkách na pokrytie veľkej plochy.
Nový spôsob napájania internetu vecí
"Čo ak vytvoríme elektronické systémy, ktoré sa obklopia mostom alebo pokryjú celú diaľnicu alebo kancelárske steny a poskytnú elektronickú inteligenciu všetkému, čo nás obklopuje?" Ako napájame všetku túto elektroniku? Pýta sa spoluautora Thomasa Palaciosa, profesora na katedre elektrotechniky a informatiky a riaditeľa Centra pre grafénové zariadenia a 2D systémy v laboratóriách mikrosystémových technológií. "Prišli sme s novým spôsobom napájania elektronických systémov budúcnosti, ktorý ťaží energiu Wi-Fi spôsobom, ktorý je možné ľahko integrovať do veľkých oblastí, aby všetky objekty okolo nás získali inteligenciu."
Propagačné video:
Medzi sľubné prvé aplikácie navrhovanej rektény patria napájanie flexibilnej a nositeľnej elektroniky, lekárskych prístrojov a senzorov IoT. Napríklad flexibilné smartphony sú horúcim novým trhom pre veľké technologické firmy. Experimentálne zariadenie generuje asi 40 μW energie, keď je vystavené typickým úrovniam výkonu signálu Wi-Fi (asi 150 μW). To je viac ako dosť na rozsvietenie jednoduchého displeja mobilného telefónu alebo napájacích čipov.
Aplikácia v medicíne
Podľa výskumného pracovníka z madridskej technickej univerzity Jesúsa Grajala je jednou z možných aplikácií vývoja zabezpečenie prenosu údajov pre implantovateľné lekárske prístroje. Napríklad pilulky, ktoré prenesú údaje o zdraví pacienta do počítača pre následnú diagnostiku.
"Je nebezpečné používať batérie na napájanie týchto systémov, pretože ak dôjde k úniku lítia, pacient zomrie," hovorí Grahal. „Je oveľa lepšie získavať energiu z prostredia na napájanie týchto malých laboratórií vo vnútri tela a na prenos údajov do externých počítačov.“
Pružný usmerňovač
Všetky rektény sa spoliehajú na komponent známy ako „usmerňovač“, ktorý prevádza striedavý prúd na jednosmerný prúd. V tradičných rekténach je usmerňovač vyrobený z kremíka alebo arzenidu gália. Tieto materiály dokážu pokryť frekvencie Wi-Fi, ale sú odolné. Aj keď sú ich použitie na výrobu malých zariadení pomerne lacné, pokrytie veľkých plôch, ako sú povrchy budov a stien, by bolo neúmerne nákladné. Vedci sa už dlho snažia tieto problémy vyriešiť. Ale niekoľko flexibilných rektorov, ktoré boli doteraz hlásené, fungujú na nízkych frekvenciách a nedokážu zachytiť a previesť gigahertzové signály, ktorými sú väčšina signálov mobilných telefónov a Wi-Fi.
Na vytvorenie svojho usmerňovača použili vedci nový dvojrozmerný materiál, disulfid molybdénu (MoS2), ktorý je v hrúbke 3 atómov jedným z najtenších polovodičových zariadení na svete. Tím použil neobvyklé správanie MoS2: pri vystavení určitým chemikáliám sa atómy materiálu usporiadajú tak, že funguje ako prepínač, čo spôsobuje fázový prechod z polovodiča na kovový materiál. Táto štruktúra je známa ako Schottkyho dióda.
„Vytvorením MoS2 v 2D fázovom prechode polovodič-kov sme vytvorili tenkú, ultrarýchlu Schottkyho diódu, ktorá súčasne minimalizuje sériový odpor a parazitnú kapacitu,“hovorí autor projektu Xu Zhang.
Parazitická kapacita je v elektronike nevyhnutná. Niektoré materiály vytvárajú malý elektrický náboj, ktorý spomaľuje obvod. V dôsledku toho nižšia kapacita znamená vyššie rýchlosti usmerňovača a vyššie prevádzkové frekvencie. Parazitná kapacita Schottkyho diódy je rádovo menšia ako u moderných flexibilných usmerňovačov, takže prevádza signál oveľa rýchlejšie a umožňuje zachytiť a prevádzať až 10 GHz.
„Tento dizajn má plne flexibilné zariadenie, ktoré je dostatočne rýchle na to, aby pokrylo väčšinu vysokofrekvenčných pásiem používaných pri každodennej elektronike, vrátane Wi-Fi, Bluetooth, celulárneho LTE a ďalších,“hovorí Zhang.
Účinnosť flexibilnej rektény
V opísanej práci sú navrhnuté výkresy ďalších vysoko výkonných flexibilných zariadení. Maximálna výstupná účinnosť súčasného zariadenia je v priemere 40% a závisí od výkonu Wi-Fi. Usmerňovač MoS2 má typickú účinnosť 30%. Pre porovnanie, účinnosť rektáz vyrobených z tvrdšieho a drahšieho arzenidu kremíka alebo gália dosahuje 50 - 60%.
Vývojový tím teraz plánuje vybudovať zložitejšie systémy a zvýšiť efektivitu technológie.
Autor: Sergey Prots