Föreställ dig en värld där smartphones, bärbara datorer, bärbara datorer och annan elektronik går utan batterier. Forskare vid Massachusetts Institute of Technology har tagit ett steg i denna riktning med lanseringen av den första helt flexibla enheten som kan omvandla energin från Wi-Fi-signaler till el till kraftelektronik.
Vad är rectenna
En rectenna är en enhet som omvandlar elektromagnetiska vågor med växelström till likström. Forskare beskrev en ny art av den i tidskriften Nature. Den använder en flexibel radiofrekvensantenn som fångar upp elektromagnetiska vågor, inklusive Wi-Fi. Den ansluts till en tvådimensionell halvledare med flera atomer tjocka. Växelströmmen flyter in i halvledaren, som omvandlar den till likström, vilket gör att du kan driva elektroniska kretsar eller ladda batterier.
Således fångar och konverterar enheten passivt Wi-Fi-signaler till DC. Den är flexibel och kan tillverkas i rullar för att täcka ett stort område.
Det nya sättet att driva sakernas internet
”Vad händer om vi skapar elektroniska system som sveper runt en bro eller täcker en hel motorväg eller kontorsväggar och ger elektronisk intelligens till allt som omger oss? Hur driver vi all denna elektronik? Frågar medförfattare Thomas Palacios, professor vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap och chef för Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories. "Vi har kommit fram till ett nytt sätt att driva framtidens elektroniska system och skörda Wi-Fi-energi på ett sätt som enkelt kan integreras över stora områden så att alla föremål runt omkring oss får intelligens."
Kampanjvideo:
Lovande tidiga applikationer för den föreslagna rektenna inkluderar att driva flexibel och bärbar elektronik, medicinsk utrustning och IoT-sensorer. Flexibla smartphones är till exempel en het ny marknad för stora teknikföretag. Den experimentella enheten genererar cirka 40 μW effekt när den utsätts för typiska Wi-Fi-signaleffektnivåer (cirka 150 μW). Detta är mer än tillräckligt för att tända en enkel mobiltelefonskärm eller powerchips.
Tillämpning inom medicin
Enligt en forskare vid det tekniska universitetet i Madrid, Jesús Grajal, är en av de möjliga tillämpningarna av utvecklingen att tillhandahålla dataöverföring för implanterbara medicinska apparater. Till exempel piller som överför data om patientens hälsa till en dator för senare diagnos.
"Det är farligt att använda batterier för att driva dessa system, för om litium läcker kommer patienten att dö", säger Grahal. "Det är mycket bättre att skörda energi från miljön för att driva dessa små laboratorier inuti kroppen och överföra data till externa datorer."
Flexibel likriktare
Alla rektenner är beroende av en komponent som kallas en "likriktare" som omvandlar växelström till likström. I traditionella rektenner är likriktaren gjord av kisel eller galliumarsenid. Dessa material kan täcka Wi-Fi-frekvenser, men de är tuffa. Även om de är relativt billiga att använda för att tillverka små apparater, skulle det vara otroligt dyrt att täcka stora ytor såsom ytor på byggnader och väggar. Forskare har länge försökt lösa dessa problem. Men några flexibla rektenner som hittills har rapporterats fungerar vid låga frekvenser och kan inte fånga och konvertera gigahertz-signaler, som de flesta mobiltelefon- och Wi-Fi-signaler är.
För att skapa sin likriktare använde forskarna ett nytt tvådimensionellt material, molybdendisulfid (MoS2), som med en tjocklek på 3 atomer är en av de tunnaste halvledaranordningarna i världen. Teamet använde det ovanliga beteendet hos MoS2: när de utsätts för vissa kemikalier ordnas materialets atomer på ett sådant sätt att det fungerar som en omkopplare, vilket orsakar en fasövergång från en halvledare till ett metalliskt material. Denna struktur är känd som en Schottky-diod.
"Genom att skapa MoS2 i en 2D-halvledarmetallfasövergång, byggde vi en tunn, ultrasnabb Schottky-diod som samtidigt minimerar seriemotstånd och parasitkapacitans", säger projektförfattaren Xu Zhang.
Parasitisk kapacitans är oundviklig inom elektronik. Vissa material bygger upp en liten elektrisk laddning som saktar ner kretsen. Följaktligen betyder lägre kapacitans högre likriktarhastigheter och högre driftsfrekvenser. Den parasitära kapacitansen hos en Schottky-diod är en storleksordning mindre än moderna flexibla likriktare, så den omvandlar signalen mycket snabbare och låter dig fånga och konvertera upp till 10 GHz.
"Denna design har en helt flexibel enhet som är tillräckligt snabb för att täcka de flesta radiofrekvensband som används av den dagliga elektroniken, inklusive Wi-Fi, Bluetooth, mobil LTE och mer", säger Zhang.
Effektiviteten hos flexibel rektenna
I det beskrivna arbetet föreslås ritningar av andra högpresterande flexibla anordningar. Den maximala uteffektiviteten för den aktuella enheten är i genomsnitt 40% och beror på Wi-Fi-effekten. MoS2-likriktaren har en typisk verkningsgrad på 30%. Som referens når effektiviteten av rektenner gjorda av hårdare och dyrare kisel eller galliumarsenid 50-60%.
Utvecklingsteamet planerar nu att bygga mer komplexa system och förbättra effektiviteten i tekniken.
Författare: Sergey Prots
