Våra ögon är bara inställda på ett smalt band av möjliga våglängder för elektromagnetisk strålning, i storleksordningen 390-700 nanometer. Om du kunde se världen med olika våglängder skulle du veta att du i ett stadsområde är upplyst även i mörkret - infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor finns överallt. En del av denna elektromagnetiska strålning från omgivningen avges av föremål som sprider sina elektroner överallt, och vissa bär radio- och Wi-Fi-signaler som ligger till grund för våra kommunikationssystem. All denna strålning bär också energi.
Vad händer om vi kan utnyttja energin från elektromagnetiska vågor?
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology presenterade en studie som publicerades i tidskriften Nature som beskriver hur de kom till det praktiska genomförandet av detta mål. De utvecklade den första helt böjbara enheten som kan omvandla energi från Wi-Fi-signaler till användbar likström.
Varje enhet som kan konvertera växelströmsignaler till likström kallas en riktande antenn. Antennen plockar upp elektromagnetisk strålning och omvandlar den till växelström. Den passerar sedan genom en diod som omvandlar den till likström för användning i elektriska kretsar.
Rektennor föreslogs först på 1960-talet och användes till och med för att demonstrera en mikrovågsdriven helikoptermodell 1964 av uppfinnaren William Brown. I detta skede drömde futuristerna redan om trådlös överföring av energi över långa avstånd och till och med användningen av rektenner för att samla in solenergi från rymden från satelliter och överföra till jorden.
Optisk rektenna
Kampanjvideo:
Idag tillåter ny teknik för att arbeta på nanoskala många nya saker. År 2015 samlade forskare vid Georgia Institute of Technology den första optiska rektenna som kan hantera höga frekvenser i det synliga spektrumet från kolnanorör.
Hittills har dessa nya optiska rektenner låg effektivitet, cirka 0,1 procent, och kan därför inte konkurrera med den ökande effektiviteten hos solceller. Men den teoretiska gränsen för rektenna-baserade solceller är förmodligen högre än Shockley-Kuisser-gränsen för solceller och kan nå 100% när den belyses med strålning av en viss frekvens. Detta möjliggör effektiv trådlös kraftöverföring.
Den nya delen av enheten, tillverkad av MIT, utnyttjar en flexibel RF-antenn som kan fånga våglängder associerade med Wi-Fi-signaler och konvertera dem till växelström. I stället för en traditionell diod för att konvertera den strömmen till DC använder den nya enheten en "tvådimensionell" halvledare som bara är några atomer tjocka, vilket skapar en spänning som kan användas för att driva bärbara enheter, sensorer, medicintekniska produkter eller elektronik med stor yta.
De nya rektennorna består av tvådimensionella (2D) material - molybdendisulfid (MoS2), som bara är tre atomer tjocka. En av dess anmärkningsvärda egenskaper är minskningen av parasitisk kapacitans - tendensen hos material i elektriska kretsar att fungera som kondensatorer som håller en viss mängd laddning. I likströmselektronik kan detta begränsa hastigheten hos signalomvandlare och enheternas förmåga att svara på höga frekvenser. De nya molybdendisulfid-rektennorna har en storleksordning lägre parasitkapacitans än de som hittills utvecklats, vilket gör att enheten kan fånga signaler upp till 10 GHz, inklusive inom typiska Wi-Fi-enheter.
Ett sådant system skulle ha färre problem med batterierna: dess livscykel skulle bli mycket längre, elektriska apparater skulle laddas av omgivande strålning och det skulle inte vara nödvändigt att kassera komponenter, vilket är fallet med batterier.
”Vad händer om vi kunde utveckla elektroniska system som skulle svepa runt en bro eller täcka en hel motorväg, väggarna på vårt kontor och ge elektronisk intelligens till allt som omger oss? Hur ska du driva all denna elektronik?”Frågar medförfattare Thomas Palacios, professor vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap vid Massachusetts Institute of Technology. "Vi har kommit på ett nytt sätt att driva framtidens elektroniska system."
Användningen av 2D-material gör att flexibel elektronik kan produceras billigt, vilket möjliggör att vi kan placera dem över stora områden för att samla upp strålning. Flexibla enheter kan användas för att utrusta ett museum eller en vägyta, och det skulle vara mycket billigare än att använda rektenner från traditionella kisel- eller galliumarsenidledare.
Kan jag ladda min telefon från Wi-Fi-signaler?
Tyvärr verkar detta alternativ mycket osannolikt, även om ämnet "fri energi" under åren har lurat människor om och om igen. Problemet ligger i signalernas energitäthet. Den maximala effekten som en Wi-Fi-hotspot kan använda utan en dedikerad sändningslicens är vanligtvis 100 milliwatt (mW). Denna 100mW strålar ut i alla riktningar och sprider sig över ytan på en sfär centrerad på AP.
Även om din mobiltelefon samlade all denna kraft med 100 procents effektivitet, skulle det fortfarande ta dagar att ladda iPhone-batteriet, och telefonens lilla fotavtryck och avstånd till hotspot skulle allvarligt begränsa mängden energi den kunde samla från dessa signaler. MIT: s nya enhet kommer att kunna fånga upp cirka 40 mikron watt när den utsätts för en typisk Wi-Fi-densitet på 150 mikrotatt: inte tillräckligt för att driva en iPhone, men tillräckligt för en enkel skärm eller fjärransluten trådlös sensor.
Av denna anledning är det mycket mer troligt att trådlös laddning för större apparater kommer att förlita sig på induktionsladdning, som redan kan driva enheter upp till en meter bort om det inte finns något mellan den trådlösa laddaren och laddningsobjektet.
Men den omgivande RF-energin kan användas för att driva vissa typer av enheter - hur tror du att sovjetiska radioapparater fungerade? Och det kommande "sakernas internet" kommer definitivt att använda dessa matmodeller. Det återstår bara att skapa sensorer med låg strömförbrukning.
Medförfattare Jesús Grajal från det tekniska universitetet i Madrid ser potentiell användning i implanterbara medicintekniska produkter: ett piller som en patient kan svälja överför hälsodata tillbaka till en dator för diagnos. "Helst skulle vi inte vilja använda batterier för att driva sådana system, för om de släpper igenom litiumet kan patienten dö", säger Grajal. "Det är mycket bättre att skörda energi från miljön för att driva dessa små laboratorier inuti kroppen och överföra data till externa datorer."
Nuvarande enhetseffektivitet är cirka 30-40% jämfört med 50-60% för traditionella rektenner. Tillsammans med begrepp som piezoelektricitet (material som genererar elektricitet när de fysiskt pressas eller sträcks ut), el som genereras av bakterier och miljövärme, kan "trådlös" elektricitet mycket väl bli en av framtidens kraftkällor.
Ilya Khel
