Vores øjne er kun indstillet på et smalt bånd af mulige bølgelængder af elektromagnetisk stråling i størrelsesordenen 390-700 nanometer. Hvis du kunne se verden i forskellige bølgelængder, ville du vide, at du i et byområde er oplyst selv i mørket - infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger er overalt. Noget af denne elektromagnetiske stråling fra miljøet udsendes af genstande, der spreder deres elektroner overalt, og nogle bærer radio- og Wi-Fi-signaler, der ligger til grund for vores kommunikationssystemer. Al denne stråling bærer også energi.
Hvad hvis vi kunne udnytte energien fra elektromagnetiske bølger?
Forskere ved Massachusetts Institute of Technology præsenterede en undersøgelse, der dukkede op i tidsskriftet Nature, der detaljerede, hvordan de kom ned til praktisk gennemførelse af dette mål. De udviklede den første fuldt bøjelige enhed, der kan konvertere energi fra Wi-Fi-signaler til anvendelig jævnstrøm.
Enhver enhed, der kan konvertere vekselstrømssignaler til jævnstrøm (DC) kaldes en udligningsantenne. Antennen opfanger elektromagnetisk stråling og omdanner den til vekselstrøm. Derefter passerer den gennem en diode, som omdanner den til jævnstrøm til brug i elektriske kredsløb.
Rectennas blev først foreslået i 1960'erne og blev endda brugt til at demonstrere en mikrobølgedrevet helikoptermodel i 1964 af opfinderen William Brown. På dette stadium drømte futuristerne allerede om trådløs transmission af energi over lange afstande og endda brugen af rektenner til at samle solenergi i rummet fra satellitter og transmittere til Jorden.
Optisk rektenna
Salgsfremmende video:
I dag tillader nye teknologier til at arbejde på nanoskala en masse nye ting. I 2015 samlede forskere ved Georgia Institute of Technology den første optiske rectenna fra carbon-nanorør, der var i stand til at håndtere høje frekvenser i det synlige spektrum.
Indtil videre har disse nye optiske rektenner lav effektivitet, omkring 0,1 procent, og kan derfor ikke konkurrere med den stigende effektivitet af solcelleanlæg. Men den teoretiske grænse for rectenna-baserede solceller er sandsynligvis højere end Shockley-Kuisser-grænsen for solceller og kan nå 100%, når den belyses med stråling af en bestemt frekvens. Dette muliggør effektiv trådløs strømoverførsel.
Den nye del af enheden, fremstillet af MIT, udnytter en fleksibel RF-antenne, der kan fange bølgelængder forbundet med Wi-Fi-signaler og konvertere dem til vekselstrøm. Derefter, i stedet for en traditionel diode til at konvertere den aktuelle strøm til DC, bruger den nye enhed en "to-dimensionel" halvleder, der kun er få atomer tyk, hvilket skaber en spænding, der kan bruges til at drive bærbare enheder, sensorer, medicinsk udstyr eller elektronik i store områder.
De nye rektenner er sammensat af todimensionelle (2D) materialer - molybdæn disulfid (MoS2), som kun er tre atomer tykke. En af dens bemærkelsesværdige egenskaber er reduktionen af parasitisk kapacitans - tendensen for materialer i elektriske kredsløb til at fungere som kondensatorer, der holder en vis mængde opladning. I jævnstrømselektronik kan dette begrænse hastigheden på signalomformere og enhedernes evne til at reagere på høje frekvenser. De nye molybdæn-disulfid-rektenner har en størrelsesorden lavere parasitisk kapacitans end de hidtil udviklede, hvilket gør det muligt for enheden at fange signaler op til 10 GHz, inklusive inden for rækkevidden af typiske Wi-Fi-enheder.
Et sådant system ville have færre problemer med batterier: dets livscyklus ville være meget længere, elektriske enheder ville blive opladet af omgivende stråling, og der ville ikke være behov for at bortskaffe komponenter, som det er tilfældet med batterier.
”Hvad hvis vi kunne udvikle elektroniske systemer, der ville vikle sig omkring en bro, eller som ville dække en hel motorvej, væggene på vores kontor og give elektronisk intelligens til alt, hvad der omgiver os? Hvordan vil du drive al denne elektronik?”Spørger medforfatter Thomas Palacios, professor ved Institut for Elektroteknik og Datalogi ved Massachusetts Institute of Technology. "Vi er kommet med en ny måde at drive fremtidens elektroniske systemer på."
Brug af 2D-materialer gør det muligt at producere fleksibel elektronik billigt, hvilket potentielt giver os mulighed for at placere dem over store områder for at opsamle stråling. Fleksible enheder kunne bruges til at udstyre et museum eller en vejoverflade, og det ville være meget billigere end at bruge rektenner fra traditionelle silicium- eller galliumarsenid-halvledere.
Kan jeg oplade min telefon fra Wi-Fi-signaler?
Desværre synes denne mulighed meget usandsynlig, selv om emnet "fri energi" i årenes løb har narret folk igen og igen. Problemet ligger i signalernes energitæthed. Den maksimale effekt, som et Wi-Fi-hotspot kan bruge uden en dedikeret udsendelseslicens, er typisk 100 milliwatt (mW). Denne 100 mW udstråler i alle retninger og spredes over overfladen af en kugle centreret på AP.
Selvom din mobiltelefon samlede al denne strøm med 100 procents effektivitet, ville det stadig tage dage at oplade iPhone-batteriet, og telefonens lille fodaftryk og afstand til hotspot ville alvorligt begrænse den mængde energi, den kunne samle fra disse signaler. MITs nye enhed vil være i stand til at fange omkring 40 mikrowatt strøm, når de udsættes for en typisk Wi-Fi-tæthed på 150 mikrowatt: ikke nok til at drive en iPhone, men nok til en simpel skærm eller trådløs ekstern sensor.
Af denne grund er det meget mere sandsynligt, at trådløs opladning til større gadgets vil stole på induktionsopladning, som allerede er i stand til at drive enheder op til en meter væk, hvis der ikke er noget mellem den trådløse oplader og opladningsobjektet.
Den omgivende RF-energi kan dog bruges til at drive visse typer enheder - hvordan tror du sovjetiske radioer fungerede? Og det kommende "tingenes internet" vil helt sikkert bruge disse madmodeller. Alt der er tilbage er at oprette sensorer med lavt strømforbrug.
Medforfatter Jesús Grajal fra det tekniske universitet i Madrid ser potentiel anvendelse i implanterbare medicinske anordninger: En pille, som en patient kan sluge, overfører sundhedsdata tilbage til en computer til diagnose.”Ideelt set ville vi ikke bruge batterier til at drive sådanne systemer, for hvis de slipper igennem lithium, kan patienten dø,” siger Grajal. "Det er meget bedre at høste energi fra miljøet for at drive disse små laboratorier inde i kroppen og overføre data til eksterne computere."
Den aktuelle enhedseffektivitet er omkring 30-40% sammenlignet med 50-60% for traditionelle rektenner. Sammen med begreber som piezoelektricitet (materialer, der genererer elektricitet, når de fysisk komprimeres eller strækkes), elektricitet genereret af bakterier og miljøvarmen, kan "trådløs" elektricitet meget vel blive en af fremtidens strømkilder til mikroelektronik.
Ilya Khel
