Naše su oči namještene samo na uski pojas mogućih valnih duljina elektromagnetskog zračenja, reda od 390-700 nanometara. Kad biste mogli vidjeti svijet na različitim valnim duljinama, znali biste da ste u urbanom području osvijetljeni čak i u mraku - infracrveno zračenje, mikrovalne pećnice i radio valovi su posvuda. Dio ovog elektromagnetskog zračenja iz okoline emitiraju predmeti koji raspršuju svoje elektrone po cijelom mjestu, a neki nose radio i Wi-Fi signale koji su u osnovi naših komunikacijskih sustava. Sve ovo zračenje također nosi energiju.
Što ako bismo mogli iskoristiti energiju elektromagnetskih valova?
Istraživači s Massachusetts Institute of Technology predstavili su studiju koja se pojavila u časopisu Nature s pojedinostima kako su došli do praktične provedbe ovog cilja. Razvili su prvi potpuno savitljivi uređaj koji može pretvoriti energiju iz Wi-Fi signala u korisnu istosmjernu električnu energiju.
Bilo koji uređaj koji može pretvoriti izmjenične signale u istosmjernu (DC) naziva se ispravljačka antena. Antena uzima elektromagnetsko zračenje, pretvarajući ga u izmjeničnu struju. Zatim prolazi kroz diodu koja ga pretvara u istosmjernu struju za upotrebu u električnim krugovima.
Rectenne su prvi put predložene 1960-ih, a čak ih je 1964. godine izumitelj William Brown koristio za prikaz modela helikoptera na mikrovalnu pećnicu. U ovoj fazi futuristi su već sanjali o bežičnom prijenosu energije na velike udaljenosti, pa čak i o korištenju retena za prikupljanje svemirske sunčeve energije od satelita i prijenos na Zemlju.
Optička retenna
Promotivni video:
Danas nove tehnologije za rad na nanorazmjerima omogućuju puno novih stvari. 2015. istraživači s Tehnološkog instituta u Georgiji sastavili su prvu optičku rektnu sposobnu za obradu visokih frekvencija u vidljivom spektru iz ugljikovih nanocijevi.
Do sada ove nove optičke rečene imaju malu učinkovitost, oko 0,1 posto, pa se stoga ne mogu natjecati s sve većom učinkovitošću fotonaponskih solarnih panela. No, teoretska granica za solarne ćelije na bazi rekete vjerojatno je viša od Shockley-Kuisserove granice za solarne ćelije i može doseći 100% kad se osvijetle zračenjem određene frekvencije. To omogućuje učinkovit bežični prijenos snage.
Novi dio uređaja, kojeg proizvodi MIT, koristi prednost fleksibilne RF antene koja može hvatati valne duljine povezane s Wi-Fi signalima i pretvarati ih u izmjeničnu struju. Zatim, umjesto tradicionalne diode za pretvaranje te struje u istosmjernu, novi uređaj koristi "dvodimenzionalni" poluvodič debeo samo nekoliko atoma, stvarajući napon koji se može koristiti za napajanje nosivih uređaja, senzora, medicinskih uređaja ili elektronike velikih područja.
Nove rektene sastoje se od dvodimenzionalnih (2D) materijala - molibden disulfida (MoS2), koji je debeo samo tri atoma. Jedno od njegovih izvanrednih svojstava je smanjenje parazitskog kapaciteta - tendencija materijala u električnim krugovima da djeluju kao kondenzatori koji drže određenu količinu naboja. U istosmjernoj elektronici to može ograničiti brzinu pretvarača signala i sposobnost uređaja da reagiraju na visoke frekvencije. Nove retente molibden disulfida imaju red veličine niži parazitski kapacitet od onih do sada razvijenih, što omogućuje uređaju da uhvati signale do 10 GHz, uključujući u rasponu tipičnih Wi-Fi uređaja.
Takav bi sustav imao manje problema s baterijama: njegov životni ciklus bio bi puno duži, električni bi se uređaji punili zračenjem okoliša i ne bi bilo potrebe za odlaganjem komponenata, kao što je slučaj s baterijama.
„Što ako bismo mogli razviti elektroničke sustave koji bi se omotali oko mosta ili koji bi pokrivali čitavu autocestu, zidove našeg ureda i davali elektroničku inteligenciju svemu što nas okružuje? Kako ćete pokretati svu ovu elektroniku?”Pita koautor Thomas Palacios, profesor na Odjelu za elektrotehniku i računalne znanosti na Massachusetts Institute of Technology. "Osmislili smo novi način za pokretanje elektroničkih sustava budućnosti."
Korištenje 2D materijala omogućuje jeftinu proizvodnju fleksibilne elektronike, potencijalno omogućujući nam da je postavimo na velika područja radi sakupljanja zračenja. Fleksibilni uređaji mogli bi se koristiti za opremanje muzeja ili površine ceste, a to bi bilo mnogo jeftinije od korištenja retena iz tradicionalnih poluvodiča silicija ili galijevog arsenida.
Mogu li svoj telefon napuniti putem Wi-Fi signala?
Nažalost, ova se opcija čini vrlo malo vjerojatnom, iako je tijekom godina tema o "besplatnoj energiji" iznova i iznova zavarala ljude. Problem leži u gustoći energije signala. Maksimalna snaga koju Wi-Fi žarišna točka može koristiti bez posebne licence za emitiranje obično je 100 milivata (mW). Ovih 100 mW zrači u svim smjerovima, šireći se površinom kugle usredotočene na AP.
Čak i kad bi vaš mobitel prikupio svu tu snagu sa 100-postotnom učinkovitošću, i dalje bi trebali dani da se iPhone baterija napuni, a mali trag i udaljenost telefona do žarišne točke ozbiljno bi ograničili količinu energije koju bi mogao prikupiti od tih signala. MIT-ov novi uređaj moći će zauzeti oko 40 mikrovata snage kada je izložen tipičnoj Wi-Fi gustoći od 150 mikrovata: nedovoljno za napajanje iPhonea, ali dovoljno za jednostavan zaslon ili daljinski bežični senzor.
Iz tog razloga mnogo je vjerojatnije da će se bežično punjenje većih naprava oslanjati na indukcijsko punjenje koje je već u stanju napajati uređaje udaljene i metar ako između bežičnog punjača i objekta za punjenje nema ništa.
Međutim, okolna RF energija može se koristiti za napajanje određenih vrsta uređaja - kako mislite da su radili sovjetski radio? A predstojeći Internet stvari definitivno će koristiti ove modele hrane. Preostalo je samo stvoriti senzore s malom potrošnjom energije.
Koautor Jesús Grajal s Tehničkog sveučilišta u Madridu vidi potencijalnu uporabu implantabilnih medicinskih uređaja: tableta koju pacijent može progutati prenijet će zdravstvene podatke natrag na računalo radi dijagnoze. "U idealnom slučaju ne bismo željeli koristiti baterije za napajanje takvih sustava, jer ako propuste litij, pacijent može umrijeti", kaže Grajal. "Mnogo je bolje prikupiti energiju iz okoliša za pogon tih malih laboratorija u tijelu i prijenos podataka na vanjska računala."
Trenutna učinkovitost uređaja iznosi oko 30-40% u usporedbi s 50-60% za tradicionalne retente. Zajedno s konceptima kao što su piezoelektričnost (materijali koji stvaraju električnu energiju kad se fizički komprimiraju ili rastežu), električna energija koju generiraju bakterije i toplina okoliša, "bežična" električna energija može postati jedan od izvora energije za mikroelektroniku budućnosti.
Ilja Khel
