Naše oči sú naladené iba na úzke pásmo možných vlnových dĺžok elektromagnetického žiarenia, rádovo od 390 do 700 nanometrov. Keby ste videli svet na rôznych vlnových dĺžkach, vedeli by ste, že v mestskej oblasti ste osvetlení aj v tme - infračervené žiarenie, mikrovlnky a rádiové vlny sú všade. Časť tohto elektromagnetického žiarenia z prostredia vyžarujú objekty, ktoré rozptýlia ich elektróny všade, a niektoré prenášajú rádiové a Wi-Fi signály, ktoré sú základom našich komunikačných systémov. Celé toto žiarenie tiež nesie energiu.
Čo keby sme dokázali využiť energiu elektromagnetických vĺn?
Vedci z Massachusetts Institute of Technology predstavili štúdiu publikovanú v časopise Nature, v ktorej podrobne popisujú, ako sa dostali k praktickej realizácii tohto cieľa. Vyvinuli prvé plne ohýbateľné zariadenie, ktoré dokáže prevádzať energiu zo signálov Wi-Fi na využiteľnú jednosmernú elektrinu.
Každé zariadenie, ktoré dokáže prevádzať striedavé signály na jednosmerný prúd (DC), sa nazýva usmerňovacia anténa. Anténa zachytáva elektromagnetické žiarenie a premieňa ho na striedavý prúd. Potom prechádza diódou, ktorá ho premieňa na jednosmerný prúd na použitie v elektrických obvodoch.
Rectenny boli prvýkrát navrhnuté v 60. rokoch 20. storočia a boli použité dokonca na demonštráciu modelu vrtuľníka na mikrovlnný pohon v roku 1964 vynálezcom Williamom Brownom. V tejto fáze už futuristi snívali o bezdrôtovom prenose energie na veľké vzdialenosti a dokonca o použití rektorov na zber vesmírnej slnečnej energie zo satelitov a jej prenos na Zem.
Optická rekténa
Propagačné video:
Dnes nové technológie pre prácu v nanorozmeroch umožňujú veľa nového. V roku 2015 zostavili vedci z Gruzínskeho technologického inštitútu prvú optickú rekténu z uhlíkových nanorúrok schopných zvládnuť vysoké frekvencie vo viditeľnom spektre.
Tieto nové optické usmerňovače majú zatiaľ nízku účinnosť, okolo 0,1 percenta, a preto nemôžu konkurovať zvyšujúcej sa účinnosti fotovoltaických solárnych panelov. Ale teoretický limit pre solárne články na báze rektenny je pravdepodobne vyšší ako Shockley-Kuisserov limit pre solárne články a môže dosiahnuť 100%, ak je osvetlený žiarením s určitou frekvenciou. To umožňuje efektívny bezdrôtový prenos energie.
Nová časť prístroja, vyrobená spoločnosťou MIT, využíva flexibilnú RF anténu, ktorá dokáže zachytiť vlnové dĺžky spojené so signálmi Wi-Fi a prevádzať ich na striedavý prúd. Potom namiesto tradičnej diódy na premenu tohto prúdu na jednosmerný prúd používa nové zariadenie „dvojrozmerný“polovodič hrubý iba niekoľko atómov, ktorý vytvára napätie, ktorým sa dá napájať nositeľné zariadenia, senzory, lekárske prístroje alebo veľkoplošná elektronika.
Nové rektény sú vyrobené z dvojrozmerných (2D) materiálov - disulfidu molybdénu (MoS2), ktorý je hrubý iba tri atómy. Jednou z jeho pozoruhodných vlastností je zníženie parazitickej kapacity - tendencie materiálov v elektrických obvodoch pôsobiť ako kondenzátory s určitým nábojom. V jednosmernej elektronike to môže obmedziť rýchlosť prevodníkov signálu a schopnosť zariadení reagovať na vysoké frekvencie. Nové usmerňovače disulfidu molybdénu majú rádovo nižšiu parazitnú kapacitu ako doteraz vyvinuté, čo umožňuje zariadeniu zachytiť signály až do 10 GHz, a to aj v rozsahu typických zariadení Wi-Fi.
Takýto systém by mal menej problémov s batériami: jeho životnosť by bola oveľa dlhšia, elektrické prístroje by boli nabíjané okolitým žiarením a nebolo by treba likvidovať komponenty, ako je to v prípade batérií.
"Čo keby sme mohli vyvinúť elektronické systémy, ktoré by obopínali most alebo ktoré by pokrývali celú diaľnicu, steny našej kancelárie a dodávali elektronickú inteligenciu všetkému, čo nás obklopuje?" Ako budete napájať všetku túto elektroniku? “Pýta sa spoluautor Thomas Palacios, profesor na katedre elektrotechniky a informatiky na Massachusetts Institute of Technology. „Prišli sme s novým spôsobom napájania elektronických systémov budúcnosti.“
Použitie 2D materiálov umožňuje lacnú výrobu flexibilnej elektroniky, čo nám umožňuje umiestniť ich na veľké plochy na zhromažďovanie žiarenia. Na vybavenie múzea alebo povrchu cesty by sa mohli použiť flexibilné zariadenia a bolo by to oveľa lacnejšie ako použitie rektorov z tradičných polovodičov kremíka alebo arzenidu gália.
Môžem svoj telefón nabíjať zo signálov Wi-Fi?
Táto možnosť sa, žiaľ, javí ako veľmi nepravdepodobná, aj keď téma „bezplatnej energie“v priebehu rokov ľudí znova a znova oblbovala. Problém spočíva v energetickej hustote signálov. Maximálny výkon, ktorý môže hotspot Wi-Fi použiť bez vyhradenej vysielacej licencie, je zvyčajne 100 miliwattov (mW). Týchto 100 mW vyžaruje do všetkých smerov a šíri sa po povrchu gule so stredom na AP.
Aj keby váš mobilný telefón zhromaždil všetku túto energiu so stopercentnou účinnosťou, nabitie batérie iPhonu by stále trvalo niekoľko dní a jeho malá stopa a vzdialenosť od hotspotu by výrazne obmedzila množstvo energie, ktoré by mohol z týchto signálov zhromaždiť. Nové zariadenie MIT bude schopné zachytiť asi 40 mikrowattov energie, keď je vystavené typickej hustote Wi-Fi 150 mikrowattov: nestačí na napájanie iPhone, ale stačí na jednoduchý displej alebo bezdrôtový senzor na diaľku.
Z tohto dôvodu je oveľa pravdepodobnejšie, že bezdrôtové nabíjanie pre väčšie hračky sa bude spoliehať na indukčné nabíjanie, ktoré je už schopné napájať zariadenia až na meter ďaleko, ak medzi bezdrôtovou nabíjačkou a nabíjacím objektom nič nie je.
Okolitú RF energiu však možno použiť na napájanie určitých typov zariadení - ako si myslíte, že fungovali sovietske rádiá? A pripravovaný internet vecí tieto modely jedál určite využije. Zostáva len vytvoriť senzory s nízkou spotrebou energie.
Spoluautor Jesús Grajal z madridskej technickej univerzity vidí potenciálne využitie v implantovateľných zdravotníckych pomôckach: pilulka, ktorú môže pacient prehltnúť, prenesie zdravotné údaje späť do počítača na diagnostiku. "V ideálnom prípade by sme nechceli používať na napájanie takýchto systémov batérie, pretože ak by prešli cez lítium, pacient by mohol zomrieť," hovorí Grajal. „Je oveľa lepšie získavať energiu z prostredia na napájanie týchto malých laboratórií vo vnútri tela a na prenos údajov do externých počítačov.“
Aktuálna účinnosť zariadenia je okolo 30 - 40% v porovnaní s 50 - 60% pre tradičné rektanty. Spolu s konceptmi, ako je piezoelektrika (materiály, ktoré vyrábajú elektrinu, keď sú fyzicky stlačené alebo natiahnuté), elektrina generovaná baktériami a teplo prostredia, sa „bezdrôtová“elektrina môže stať jedným zo zdrojov energie pre mikroelektroniku budúcnosti.
Iľja Khel