Zamislite svijet u kojem pametni telefoni, prijenosna računala, nosiva oprema i druga elektronika rade bez baterija. Istraživači s Massachusetts Institute of Technology poduzeli su korak u tom smjeru izdavanjem prvog potpuno fleksibilnog uređaja koji može pretvoriti energiju Wi-Fi signala u električnu energiju potrebnu za napajanje elektronike.
Što je rectenna
Rectenna je uređaj koji pretvara elektromagnetske valove izmjenične struje u istosmjernu. Istraživači su opisali novu njegovu vrstu u časopisu Nature. Koristi fleksibilnu radiofrekvencijsku antenu koja snima elektromagnetske valove, uključujući Wi-Fi. Spaja se s dvodimenzionalnim poluvodičem debljine nekoliko atoma. Izmjenična struja teče u poluvodič, koji ga pretvara u istosmjernu, što vam omogućuje napajanje elektroničkih krugova ili punjenje baterija.
Dakle, uređaj pasivno snima i pretvara Wi-Fi signale u istosmjernu struju. Fleksibilan je i može se proizvoditi u rolama da pokrije veliku površinu.
Novi način za pokretanje Interneta stvari
„Što ako stvorimo elektroničke sustave koji se omotaju oko mosta ili pokriju čitav zid autoceste ili ureda i daju elektroničku inteligenciju svemu što nas okružuje? Kako pokrećemo svu ovu elektroniku? Pita koautor Thomas Palacios, profesor na Odjelu za elektrotehniku i računalne znanosti i direktor Centra za grafenske uređaje i 2D sustave u laboratorijima mikrosistemske tehnologije. "Osmislili smo novi način za pokretanje elektroničkih sustava budućnosti, sakupljajući Wi-Fi energiju na način koji se lako može integrirati na velikim površinama, tako da svi predmeti oko nas dobivaju inteligenciju."
Promotivni video:
Obećavajuće rane primjene za predloženu retennu uključuju napajanje fleksibilne i nosive elektronike, medicinskih uređaja i IoT senzora. Na primjer, fleksibilni pametni telefoni vruće su novo tržište za velike tehnološke tvrtke. Eksperimentalni uređaj generira oko 40 μW snage kada je izložen tipičnim razinama snage Wi-Fi signala (oko 150 μW). To je više nego dovoljno za osvjetljavanje jednostavnog zaslona mobitela ili strujnih čipova.
Primjena u medicini
Prema istraživaču s Tehničkog sveučilišta u Madridu Jesúsu Grajalu, jedna od mogućih primjena razvoja je pružanje prijenosa podataka za medicinske uređaje koji se mogu ugraditi. Na primjer, tablete koje će podatke o zdravlju pacijenta prenijeti na računalo za naknadnu dijagnozu.
"Opasno je koristiti baterije za napajanje ovih sustava, jer ako litij procuri, pacijent će umrijeti", kaže Grahal. "Mnogo je bolje prikupiti energiju iz okoliša za pogon tih malih laboratorija u tijelu i prijenos podataka na vanjska računala."
Fleksibilni ispravljač
Sve retente oslanjaju se na komponentu poznatu kao "ispravljač" koja pretvara izmjenični u istosmjerni. U tradicionalnim rektnama ispravljač je izrađen od silicija ili galijevog arsenida. Ovi materijali mogu pokriti Wi-Fi frekvencije, ali su čvrsti. Iako se relativno jeftino koriste za izradu malih uređaja, pokrivanje velikih površina poput površina zgrada i zidova bilo bi neizmjerno skupo. Istraživači već dugo pokušavaju riješiti ove probleme. No, nekoliko fleksibilnih retena koje su do sada prijavljene rade na niskim frekvencijama i ne mogu hvatati i pretvarati gigahercne signale, što je većina signala mobitela i Wi-Fi-ja.
Da bi stvorili svoj ispravljač, istraživači su koristili novi dvodimenzionalni materijal, molibden disulfid (MoS2), koji je u debljini od 3 atoma jedan od najtanjih poluvodičkih uređaja na svijetu. Tim je upotrijebio neobično ponašanje MoS2: kada su izloženi određenim kemikalijama, atomi materijala preuređuju se na takav način da djeluje kao prekidač, uzrokujući fazni prijelaz iz poluvodiča u metalni materijal. Ova je struktura poznata kao Schottky dioda.
"Stvaranjem MoS2 u 2D faznom prijelazu poluvodič-metal, izgradili smo tanku, ultra brzu Schottky diodu koja istovremeno minimalizira serijski otpor i parazitski kapacitet", kaže autor projekta Xu Zhang.
Parazitski kapacitet je neizbježan u elektronici. Neki materijali stvaraju mali električni naboj koji usporava krug. Slijedom toga, manji kapacitet znači veće brzine ispravljača i veće radne frekvencije. Parazitski kapacitet Schottky diode reda je veličine manji od modernih fleksibilnih ispravljača, pa pretvara signal puno brže i omogućuje vam hvatanje i pretvaranje do 10 GHz.
"Ovaj dizajn ima potpuno fleksibilan uređaj koji je dovoljno brz da pokrije većinu opsega radio frekvencija koje se koriste svakodnevnom elektronikom, uključujući Wi-Fi, Bluetooth, mobilni LTE i još mnogo toga", kaže Zhang.
Učinkovitost fleksibilne retenne
U opisanom radu predloženi su crteži ostalih fleksibilnih uređaja visokih performansi. Maksimalna učinkovitost izlaza trenutnog uređaja u prosjeku iznosi 40% i ovisi o Wi-Fi snazi. Ispravljač MoS2 ima tipičnu učinkovitost od 30%. Za referencu, učinkovitost rektena izrađenih od tvrđeg i skupljeg silicija ili galijevog arsenida doseže 50-60%.
Sada razvojni tim planira graditi složenije sustave i poboljšati učinkovitost tehnologije.
Autor: Sergey Prots
