Vědci vytvářejí velmi tenký „list“, který by mohl nabíjet naše telefony získáváním Wi-Fi ze vzduchu


Všechny Novinky
Novinky Christine Daniloff / MIT

Konverze signálů Wi-Fi na elektřinu s novými 2-D materiály
Zařízení vyrobené z flexibilních a levných materiálů by mohlo napájet velkoplošnou elektroniku, nositelná zařízení, lékařské přístroje a další.
Napsal Rob Matheson
Zprávy MIT

Představte si svět, kde jsou smartphony, notebooky, nositelná zařízení a další elektronika napájeny bez baterií. Vědci z MIT a jinde udělali krok tímto směrem, s prvním plně flexibilním zařízením, které dokáže převádět energii ze signálů WiFi na elektřinu, která by mohla napájet naši elektroniku.


Zařízení, která převádějí střídavé elektromagnetické vlny na stejnosměrnou elektřinu, se označují jako „rectennas“. V nově publikované studii, která se objevuje v Příroda, vědci demonstrují nový druh přímého vedení, které využívá flexibilní vysokofrekvenční (RF) anténu, která zachycuje elektromagnetické vlny - včetně těch, které přenášejí WiFi - jako křivky střídavého proudu.

Anténa je poté připojena k novému zařízení vyrobenému z dvourozměrného polovodiče o tloušťce jen několika atomů. Střídavý signál putuje do polovodiče, který jej převádí na stejnosměrné napětí, které lze použít k napájení elektronických obvodů nebo k dobití baterií.


PŘÍBUZNÝ: Chirurgové úspěšně implantují první 3D vytištěné žebro na světě - a plánují v budoucnu dělat ještě více

Tímto způsobem zařízení bez baterií pasivně zachycuje a transformuje všudypřítomné WiFi signály na užitečné stejnosměrné napájení. Zařízení je navíc flexibilní a může být vyrobeno v procesu roll-to-roll k pokrytí velmi velkých ploch.

'Co kdybychom mohli vyvinout elektronické systémy, které omotáme kolem mostu nebo pokryjeme celou dálnici nebo stěny naší kanceláře a přineseme elektronickou inteligenci všemu kolem nás?' Jak dodáváte energii té elektronice? “ říká spoluautor papíru Tomás Palacios, profesor na katedře elektrotechniky a informatiky na MIT.

'Přišli jsme s novým způsobem, jak napájet elektronické systémy budoucnosti - získáváním WiFi energie způsobem, který je snadno integrovatelný do velkých oblastí - abychom přinesli inteligenci každému objektu kolem nás.'


V experimentech může zařízení vědců vyprodukovat asi 40 mikrowattů energie, když je vystaveno typickým úrovním výkonu signálů WiFi (kolem 150 mikrowattů). To je více než dost energie na rozsvícení LED nebo na pohon křemíkových čipů.

KOUKNI SE: Brýle s inteligentními titulky umožňují neslyšícím divákům přímo sledovat živé účinkující v divadle

Mezi slibné rané aplikace navrhované rektény patří napájení flexibilní a nositelné elektroniky, lékařských zařízení a senzorů pro „internet věcí“. Například flexibilní smartphony jsou horkým novým trhem pro významné technologické firmy.

Další možnou aplikací je napájení datové komunikace implantovatelných zdravotnických prostředků, říká spoluautor Jesús Grajal, výzkumný pracovník na Technické univerzitě v Madridu. Vědci například začínají vyvíjet pilulky, které mohou pacienti spolknout, a přenášet zdravotní data zpět do počítače pro diagnostiku.


'V ideálním případě nechcete k napájení těchto systémů používat baterie, protože pokud by došlo k úniku lithia, pacient by mohl zemřít,' říká Grajal. 'Je mnohem lepší získávat energii z prostředí, aby se tyto malé laboratoře v těle mohly napájet a data mohla být předána externím počítačům.'

VÍCE: Podmořský robot právě doručil 100 000 žáruvzdorných dětských korálů na Velký bariérový útes

Všechny rektory spoléhají na komponentu známou jako „usměrňovač“, která převádí vstupní signál střídavého proudu na stejnosměrný proud. Tradiční rectenas používají pro usměrňovač buď křemík, nebo arsenid gália. Tyto materiály mohou pokrýt pásmo WiFi, ale jsou tuhé. A ačkoli je použití těchto materiálů k výrobě malých zařízení relativně levné, jejich použití k pokrytí rozsáhlých oblastí, jako jsou povrchy budov a stěn, by bylo nákladné. Vědci se tyto problémy snaží vyřešit již dlouho. Ale několik dosud hlášených flexibilních rektoren pracuje na nízkých frekvencích a nemohou zachytit a převést signály na gigahertzových frekvencích, kde je většina příslušných signálů mobilních telefonů a WiFi.

K výrobě svého usměrňovače použili vědci nový 2-D materiál zvaný disulfid molybdenu (MoS2), který je při tloušťce tří atomů jedním z nejtenčích polovodičů na světě. Tým přitom využil jedinečného chování MoS2: Když jsou atomy materiálu vystaveny určitým chemikáliím, přeskupí se tak, aby fungovaly jako přepínač, který vynutí fázový přechod z polovodiče na kovový materiál. Výsledná struktura je známá jako Schottkyho dioda, což je spojení polovodiče s kovem.


„Inženýrstvím MoS2 na 2-D polovodičovou kovovou fázovou křižovatku jsme postavili atomově tenkou ultrarychlou Schottkyho diodu, která současně minimalizuje sériový odpor a parazitní kapacitu,“ říká první autor a postdoc Xu Zhang z EECS.

KOUKNI SE: „Není to docela oblek Ant-Mana“, ale vědci objevují, jak zmenšit objekty na 1 000. jejich původní velikost

Parazitická kapacita je nevyhnutelná situace v elektronice, kde některé materiály ukládají malý elektrický náboj, což zpomaluje obvod. Nižší kapacita proto znamená zvýšené rychlosti usměrňovače a vyšší pracovní frekvence. Parazitická kapacita Schottkyho diody vědců je o řád menší než dnešní nejmodernější flexibilní usměrňovače, takže při převodu signálu je mnohem rychlejší a umožňuje jí zachytit a převést až 10 gigahertzů bezdrátových signálů.

'Takový design umožnil plně flexibilní zařízení, které je dostatečně rychlé, aby pokrylo většinu vysokofrekvenčních pásem používaných naší každodenní elektronikou, včetně WiFi, Bluetooth, celulárního LTE a mnoha dalších,' říká Zhang.


Hlášená práce poskytuje plány pro další flexibilní zařízení WiFi na elektřinu se značným výkonem a účinností. Maximální výstupní účinnost aktuálního zařízení je 40%, v závislosti na příkonu WiFi. Při typické úrovni výkonu WiFi je energetická účinnost usměrňovače MoS2 asi 30%. Pro srovnání, dnešní rectenny vyrobené z tuhého, dražšího křemíku nebo arsenidu gália dosahují přibližně 50 až 60%.

Tým nyní plánuje vybudovat složitější systémy a zlepšit efektivitu.

Přetištěno se svolením od Zprávy MIT

Síla pozitivity sdílením dobré zprávy se sociálními médii