Představte si svět, kde smartphony, notebooky, nositelná zařízení a další elektronika fungují bez baterií. Vědci z Massachusetts Institute of Technology učinili krok tímto směrem vydáním prvního plně flexibilního zařízení, které dokáže převádět energii ze signálů Wi-Fi na elektřinu na výkonovou elektroniku.
Co je rectenna
Rekténa je zařízení, které převádí elektromagnetické vlny střídavého proudu na stejnosměrný proud. Vědci popsali jeho nový druh v časopise Nature. Využívá flexibilní vysokofrekvenční anténu, která zachycuje elektromagnetické vlny, včetně Wi-Fi. Připojuje se k dvourozměrnému polovodiči o tloušťce několika atomů. Střídavý proud proudí do polovodiče, který jej převádí na stejnosměrný proud, což vám umožňuje napájet elektronické obvody nebo nabíjet baterie.
Zařízení tedy pasivně zachycuje a převádí signály Wi-Fi na stejnosměrný proud. Je flexibilní a lze jej vyrobit v rolích, které pokryjí velkou plochu.
Nový způsob napájení internetu věcí
"Co když vytvoříme elektronické systémy, které obepínají most, nebo pokrývají celou dálnici nebo kancelářské zdi a dávají elektronickou inteligenci všemu, co nás obklopuje?" Jak napájíme veškerou tuto elektroniku? Ptá se spoluautor Thomas Palacios, profesor na katedře elektrotechniky a informatiky a ředitel Centra pro grafenová zařízení a 2D systémy v laboratořích pro mikrosystémové technologie. "Přišli jsme s novým způsobem, jak napájet elektronické systémy budoucnosti, získávat energii Wi-Fi způsobem, který lze snadno integrovat do velkých oblastí, aby všechny objekty kolem nás získaly inteligenci."
Propagační video:
Slibné rané aplikace pro navrhovanou rektenalu zahrnují napájení flexibilní a nositelné elektroniky, lékařských zařízení a senzorů IoT. Například flexibilní smartphony jsou horkým novým trhem pro velké technologické firmy. Experimentální zařízení generuje přibližně 40 μW energie, když je vystaveno typickým úrovním výkonu signálu Wi-Fi (přibližně 150 μW). To je více než dost na rozsvícení jednoduchého displeje mobilního telefonu nebo výkonových čipů.
Aplikace v medicíně
Podle výzkumného pracovníka z Technické univerzity v Madridu Jesúse Grajala je jednou z možných aplikací tohoto vývoje poskytování přenosu dat pro implantovatelné zdravotnické prostředky. Například pilulky, které přenesou data o zdraví pacienta do počítače pro následnou diagnostiku.
"Je nebezpečné používat baterie k napájení těchto systémů, protože pokud dojde k úniku lithia, pacient zemře," říká Grahal. „Je mnohem lepší sklízet energii z prostředí, aby se tyto malé laboratoře uvnitř těla napájely a přenášely data do externích počítačů.“
Flexibilní usměrňovač
Všechny rektory spoléhají na komponentu známou jako „usměrňovač“, která převádí střídavé napětí na stejnosměrné. V tradičních rectenách je usměrňovač vyroben z křemíku nebo arsenidu gália. Tyto materiály mohou pokrýt frekvence Wi-Fi, ale jsou odolné. I když jsou relativně levné k výrobě malých zařízení, pokrytí velkých ploch, jako jsou povrchy budov a stěn, by bylo neúnosně nákladné. Vědci se již dlouho snaží tyto problémy vyřešit. Několik flexibilních rektorů, které byly dosud hlášeny, však pracují na nízkých frekvencích a nemohou zachytit a převést gigahertzové signály, kterými jsou většina signálů mobilních telefonů a Wi-Fi.
K vytvoření svého usměrňovače vědci použili nový dvourozměrný materiál, disulfid molybdenu (MoS2), který je s tloušťkou 3 atomy jedním z nejtenčích polovodičových součástek na světě. Tým použil neobvyklé chování MoS2: při vystavení určitým chemikáliím se atomy materiálu přeskupily takovým způsobem, že působí jako přepínač, což způsobuje fázový přechod z polovodiče na kovový materiál. Tato struktura je známá jako Schottkyho dioda.
„Vytvořením MoS2 ve 2D fázovém přechodu polovodič-kov jsme vytvořili tenkou, ultrarychlou Schottkyho diodu, která současně minimalizuje sériový odpor a parazitní kapacitu,“říká autor projektu Xu Zhang.
Parazitická kapacita je v elektronice nevyhnutelná. Některé materiály vytvářejí malý elektrický náboj, který zpomaluje obvod. V důsledku toho nižší kapacita znamená vyšší rychlosti usměrňovače a vyšší pracovní frekvence. Parazitní kapacita Schottkyho diody je o řád menší než moderní flexibilní usměrňovače, takže převádí signál mnohem rychleji a umožňuje zachytit a převést až 10 GHz.
"Tento design má zcela flexibilní zařízení, které je dostatečně rychlé, aby pokrylo většinu vysokofrekvenčních pásem používaných každodenní elektronikou, včetně Wi-Fi, Bluetooth, celulárního LTE a dalších," říká Zhang.
Efektivita flexibilní rektény
V popsané práci jsou navrženy výkresy dalších vysoce výkonných flexibilních zařízení. Maximální výstupní účinnost aktuálního zařízení je v průměru 40% a závisí na síle Wi-Fi. Usměrňovač MoS2 má typickou účinnost 30%. Pro srovnání, účinnost příměsí vyrobených z tvrdšího a dražšího arzenidu křemíku nebo gália dosahuje 50-60%.
Vývojový tým nyní plánuje vybudovat složitější systémy a zlepšit efektivitu technologie.
Autor: Sergey Prots