Forestil dig en verden, hvor smartphones, laptops, wearables og anden elektronik kører uden batterier. Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har taget et skridt i denne retning med frigivelsen af den første fuldt fleksible enhed, der kan konvertere energien fra Wi-Fi-signaler til elektricitet til strømelektronik.
Hvad er rectenna
En rectenna er en enhed, der konverterer vekselstrøm elektromagnetiske bølger til jævnstrøm. Forskere beskrev en ny art i tidsskriftet Nature. Det bruger en fleksibel radiofrekvensantenne, der fanger elektromagnetiske bølger, inklusive Wi-Fi. Den forbinder til en todimensional halvleder med flere atomer tyk. Vekselstrømmen strømmer ind i halvlederen, som konverterer den til jævnstrøm, hvilket giver dig mulighed for at drive elektroniske kredsløb eller oplade batterier.
Således fanger og konverterer enheden passivt Wi-Fi-signaler til DC. Den er fleksibel og kan produceres i ruller til at dække et stort område.
Den nye måde at drive tingenes internet på
”Hvad hvis vi opretter elektroniske systemer, der vikles rundt om en bro eller dækker en hel motorvej eller kontorvægge og giver elektronisk intelligens til alt, hvad der omgiver os? Hvordan styrer vi al denne elektronik? Beder medforfatter Thomas Palacios, professor ved Institut for Elektroteknik og Datalogi og direktør for Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories.”Vi er kommet med en ny måde at drive fremtidens elektroniske systemer på og høste Wi-Fi-energi på en måde, der let kan integreres over store områder, så alle objekter omkring os får intelligens.”
Salgsfremmende video:
Lovende tidlige applikationer til den foreslåede rectenna inkluderer strømforsyning til fleksibel og bærbar elektronik, medicinsk udstyr og IoT-sensorer. Fleksible smartphones er for eksempel et nyt nyt marked for store teknologivirksomheder. Den eksperimentelle enhed genererer omkring 40 μW strøm, når den udsættes for typiske Wi-Fi-signaleffektniveauer (ca. 150 μW). Dette er mere end nok til at tænde op for en simpel mobiltelefondisplay eller powerchips.
Anvendelse i medicin
Ifølge en forsker ved det tekniske universitet i Madrid, Jesús Grajal, er en af de mulige anvendelser af udviklingen at levere dataoverførsel til implanterbare medicinske anordninger. For eksempel piller, der overfører data om patientens helbred til en computer til efterfølgende diagnose.
”Det er farligt at bruge batterier til at drive disse systemer, for hvis lithium lækker, vil patienten dø,” siger Grahal. "Det er meget bedre at høste energi fra miljøet for at drive disse små laboratorier inde i kroppen og overføre data til eksterne computere."
Fleksibel ensretter
Alle rektenner er afhængige af en komponent kendt som en "ensretter", der konverterer AC til DC. I traditionelle rektenner er ensretteren lavet af silicium eller galliumarsenid. Disse materialer kan dække Wi-Fi-frekvenser, men de er hårde. Selvom de er relativt billige at bruge til at fremstille små enheder, ville det være uoverkommeligt dyrt at dække store områder som overflader på bygninger og vægge. Forskere har længe forsøgt at løse disse problemer. Men et par fleksible rektenner, der hidtil er rapporteret, fungerer ved lave frekvenser og kan ikke fange og konvertere gigahertz-signaler, som de fleste mobiltelefon- og Wi-Fi-signaler er.
For at skabe deres ensretter brugte forskerne et nyt todimensionalt materiale, molybdæn disulfid (MoS2), som med en tykkelse på 3 atomer er en af de tyndeste halvlederindretninger i verden. Holdet brugte den usædvanlige opførsel af MoS2: Når de udsættes for visse kemikalier, omarrangeres materialets atomer på en sådan måde, at det fungerer som en switch, der forårsager en faseovergang fra en halvleder til et metallisk materiale. Denne struktur er kendt som en Schottky-diode.
"Ved at skabe MoS2 i en 2D-halvleder-metal-faseovergang byggede vi en tynd, ultrahurtig Schottky-diode, der samtidig minimerer seriemodstand og parasitkapacitans," siger projektforfatter Xu Zhang.
Parasitisk kapacitans er uundgåelig i elektronik. Nogle materialer opbygger en lille elektrisk ladning, der bremser kredsløbet. Derfor betyder lavere kapacitans højere ensretterhastigheder og højere driftsfrekvenser. Den parasitære kapacitans af en Schottky-diode er en størrelsesorden mindre end moderne fleksible ensrettere, så den konverterer signalet meget hurtigere og giver dig mulighed for at fange og konvertere op til 10 GHz.
”Dette design har en fuldstændig fleksibel enhed, der er hurtig nok til at dække det meste af radiofrekvensbånd, der bruges af den daglige elektronik, inklusive Wi-Fi, Bluetooth, cellulær LTE og mere,” siger Zhang.
Effektivitet af fleksibel rectenna
I det beskrevne arbejde foreslås tegninger af andre højtydende fleksible indretninger. Den maksimale outputeffektivitet for den aktuelle enhed er i gennemsnit 40% og afhænger af Wi-Fi-strømmen. MoS2 ensretter har en typisk effektivitet på 30%. Til reference når effektiviteten af rektenner fremstillet af hårdere og dyrere silicium eller galliumarsenid 50-60%.
Udviklingsteamet planlægger nu at bygge mere komplekse systemer og forbedre effektiviteten af teknologien.
Forfatter: Sergey Prots