Naše oči jsou naladěny pouze na úzké pásmo možných vlnových délek elektromagnetického záření, řádově 390-700 nanometrů. Pokud byste mohli vidět svět na různých vlnových délkách, věděli byste, že v městské oblasti jste osvětleni i ve tmě - infračervené záření, mikrovlnné trouby a rádiové vlny jsou všude. Část tohoto elektromagnetického záření z prostředí vyzařují objekty, které rozptylují jejich elektrony všude, a některé přenášejí rádiové a Wi-Fi signály, které jsou základem našich komunikačních systémů. Celé toto záření také nese energii.
Co kdybychom mohli využít energii elektromagnetických vln?
Vědci z Massachusettského technologického institutu představili studii, která vyšla v časopise Nature a podrobně popisují, jak se dostali k praktické realizaci tohoto cíle. Vyvinuli první plně ohýbatelné zařízení, které dokáže převádět energii ze signálů Wi-Fi na použitelnou stejnosměrnou elektřinu.
Každé zařízení, které dokáže převádět střídavé signály na stejnosměrný proud (DC), se nazývá usměrňovací anténa. Anténa snímá elektromagnetické záření a přeměňuje ho na střídavý proud. Poté prochází diodou, která ji převádí na stejnosměrný proud pro použití v elektrických obvodech.
Rectenny byly poprvé navrženy v šedesátých letech minulého století a byly dokonce použity k předvedení modelu vrtulníku s mikrovlnným pohonem v roce 1964 vynálezcem Williamem Brownem. V této fázi již futuristé snili o bezdrátovém přenosu energie na velké vzdálenosti a dokonce o použití rektoren ke sběru vesmírné sluneční energie ze satelitů a jejímu přenosu na Zemi.
Optická rectenna
Propagační video:
Dnes nové technologie pro práci v nanoměřítku umožňují spoustu nových věcí. V roce 2015 sestavili vědci z Gruzínského technologického institutu první optickou přímku schopnou zvládnout vysoké frekvence ve viditelném spektru z uhlíkových nanotrubiček.
Dosud mají tyto nové optické rektorny nízkou účinnost, kolem 0,1 procenta, a proto nemohou konkurovat zvyšující se účinnosti fotovoltaických solárních panelů. Teoretický limit pro solární články na bázi rektenny je však pravděpodobně vyšší než limit Shockley-Kuisser pro solární články a může dosáhnout 100%, když je osvětlen zářením určité frekvence. To umožňuje efektivní bezdrátový přenos energie.
Nová část zařízení, vyráběná společností MIT, využívá flexibilní RF anténu, která dokáže zachytit vlnové délky spojené se signály Wi-Fi a převést je na střídavý proud. Poté namísto tradiční diody pro převod tohoto proudu na stejnosměrný proud používá nové zařízení „dvourozměrný“polovodič o tloušťce několika atomů, který vytváří napětí, které lze použít k napájení nositelných zařízení, senzorů, lékařských zařízení nebo velkoplošné elektroniky.
Nové rectenas jsou složeny z dvourozměrných (2D) materiálů - disulfidu molybdenu (MoS2), který je tlustý pouze tři atomy. Jednou z jeho pozoruhodných vlastností je snížení parazitní kapacity - tendence materiálů v elektrických obvodech působit jako kondenzátory, které drží určité množství náboje. Ve stejnosměrné elektronice to může omezit rychlost převodníků signálu a schopnost zařízení reagovat na vysoké frekvence. Nové rektoridy disulfidu molybdeničitého mají řádově nižší parazitní kapacitu než dosud vyvinuté, což umožňuje zařízení zachytit signály až do 10 GHz, a to i v rozsahu typických zařízení Wi-Fi.
Takový systém by měl méně problémů s bateriemi: jeho životnost by byla mnohem delší, elektrická zařízení by byla nabíjena okolním zářením a nebylo by třeba likvidovat součásti, jako je tomu u baterií.
"Co kdybychom mohli vyvinout elektronické systémy, které by obepínaly most nebo které by pokrývaly celou dálnici, zdi naší kanceláře a dodávaly elektronickou inteligenci všemu, co nás obklopuje?" Jak budete napájet veškerou tuto elektroniku? “Ptá se spoluautor Thomas Palacios, profesor na katedře elektrotechniky a informatiky na Massachusetts Institute of Technology. „Přišli jsme s novým způsobem, jak napájet elektronické systémy budoucnosti.“
Použití 2D materiálů umožňuje levnou výrobu flexibilní elektroniky, což nám potenciálně umožňuje umístit je na velké plochy za účelem sběru záření. K vybavení muzea nebo povrchu vozovky by bylo možné použít flexibilní zařízení a bylo by to mnohem levnější než použití rektoren z tradičních polovodičů křemíku nebo arzenidu křemíku.
Mohu svůj telefon nabíjet ze signálů Wi-Fi?
Bohužel se tato možnost jeví jako velmi nepravděpodobná, ačkoli téma „volné energie“v průběhu let lidi znovu a znovu podváděl. Problém spočívá v energetické hustotě signálů. Maximální výkon, který může hotspot Wi-Fi použít bez vyhrazené vysílací licence, je obvykle 100 milliwattů (mW). Tato 100 mW vyzařuje do všech směrů a šíří se po povrchu koule vycentrované na AP.
I kdyby váš mobilní telefon sbíral veškerou tuto energii se stoprocentní účinností, nabíjení baterie iPhonu by stále trvalo několik dní a malá stopa a vzdálenost od hotspotu telefonu by vážně omezila množství energie, které by z těchto signálů mohl sbírat. Nové zařízení MIT bude schopno zachytit asi 40 mikropattů energie, když je vystaveno typické hustotě Wi-Fi 150 mikropattů: nestačí k napájení iPhonu, ale dost na jednoduchý displej nebo vzdálený bezdrátový senzor.
Z tohoto důvodu je mnohem pravděpodobnější, že bezdrátové nabíjení pro větší gadgety bude záviset na indukčním nabíjení, které je již schopné napájet zařízení až na metr daleko, pokud mezi bezdrátovou nabíječkou a objektem nabíjení není nic.
Okolní vysokofrekvenční energii lze však použít k napájení určitých typů zařízení - jak si myslíte, že fungovala sovětská rádia? A nadcházející internet věcí tyto modely potravin určitě využije. Zbývá pouze vytvořit senzory s nízkou spotřebou energie.
Spoluautor Jesús Grajal z Technické univerzity v Madridu vidí potenciální využití v implantovatelných zdravotnických prostředcích: pilulka, kterou může pacient spolknout, přenese zdravotní data zpět do počítače pro diagnostiku. "V ideálním případě bychom nechtěli k napájení těchto systémů používat baterie, protože kdyby propustili lithium, pacient by mohl zemřít," říká Grajal. „Je mnohem lepší sklízet energii z prostředí, aby se tyto malé laboratoře uvnitř těla napájely a přenášely data do externích počítačů.“
Aktuální účinnost zařízení je kolem 30-40% ve srovnání s 50-60% pro tradiční rektasy. Spolu s koncepty, jako je piezoelektřina (materiály, které generují elektřinu při fyzickém stlačení nebo roztažení), elektřina generovaná bakteriemi a teplo prostředí, se „bezdrátová“elektřina může stát jedním ze zdrojů energie pro mikroelektroniku budoucnosti.
Ilya Khel