Kuvittele maailma, jossa älypuhelimet, kannettavat tietokoneet, puettavat tarvikkeet ja muu elektroniikka toimivat ilman paristoja. Massachusettsin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat ottaneet askeleen tähän suuntaan julkaisemalla ensimmäisen täysin joustavan laitteen, joka voi muuntaa Wi-Fi-signaalien energian elektroniikan virrankulutukseen tarvittavaksi sähköksi.
Mikä on rectenna
Tasasuunta on laite, joka muuntaa vaihtovirran sähkömagneettiset aallot tasavirraksi. Tutkijat kuvasivat uuden lajin sen Nature-lehdessä. Se käyttää joustavaa radiotaajuusantennia, joka sieppaa sähkömagneettiset aallot, mukaan lukien Wi-Fi. Se yhdistää kaksiulotteiseen puolijohteeseen, jonka paksuus on useita atomeja. Vaihtovirta virtaa puolijohteeseen, joka muuntaa sen tasavirraksi, jonka avulla voit virrata elektronisia piirejä tai ladata akkuja.
Täten laite sieppaa ja muuntaa passiivisesti Wi-Fi-signaalit DC: ksi. Se on joustava ja se voidaan valmistaa rullina kattamaan suuri alue.
Uusi tapa hyödyntää esineiden Internetiä
"Entä jos luomme elektronisia järjestelmiä, jotka kietoutuvat sillan ympärille tai peittävät kokonaisen valtatien tai toimiston seinät ja antavat sähköistä älykkyyttä kaikelle, mikä ympäröi meitä? Kuinka voimme käyttää kaikkea tätä elektroniikkaa? Kysyy toinen kirjoittaja Thomas Palacios, sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen laitoksen professori ja mikrosysteemitekniikan laboratorioiden grafeenilaitteiden ja 2D-järjestelmien keskuksen johtaja. "Olemme keksineet uuden tavan käyttää tulevaisuuden sähköjärjestelmiä keräämällä Wi-Fi-energiaa tavalla, joka voidaan helposti integroida suurille alueille, jotta kaikki ympärillämme olevat kohteet saavat älykkyyttä."
Mainosvideo:
Lupaaviin varhaisiin sovelluksiin ehdotettuun suorakennoon kuuluu joustavan ja puettavan elektroniikan, lääkinnällisten laitteiden ja IoT-antureiden virransaanti. Esimerkiksi joustavat älypuhelimet ovat kuumille uusille markkinoille suurille teknologiayrityksille. Kokeellinen laite tuottaa noin 40 μW tehoa altistettaessa tyypillisille Wi-Fi-signaalin tehotasoille (noin 150 μW). Tämä on enemmän kuin tarpeeksi yksinkertaisen matkapuhelimen näytön tai virtapiirien valaisemiseksi.
Soveltaminen lääketieteessä
Madridin teknillisen yliopiston tutkijan Jesús Grajalin mukaan yksi kehityksen mahdollisista sovelluksista on tiedonsiirto implantoitaville lääkinnällisille laitteille. Esimerkiksi pillerit, jotka siirtävät tietoja potilaan terveydestä tietokoneelle myöhempää diagnoosia varten.
"On vaarallista käyttää paristoja näiden järjestelmien virtalähteeseen, koska jos litium vuotaa, potilas kuolee", Grahal sanoo. "On paljon parempi kerätä energiaa ympäristöstä, jotta nämä pienet laboratoriot voisivat toimia kehon sisällä ja siirtää tietoja ulkoisiin tietokoneisiin."
Joustava tasasuuntaaja
Kaikki tasasuuntaimet tukeutuvat komponenttiin, joka tunnetaan nimellä "tasasuuntaaja", joka muuntaa vaihtovirran tasavirraksi. Perinteisissä tasasuuntaajissa tasasuuntaaja on valmistettu piistä tai galliumarsenidistä. Nämä materiaalit voivat kattaa Wi-Fi-taajuudet, mutta ne ovat kovia. Vaikka niitä onkin suhteellisen halpaa käyttää pienten laitteiden valmistamiseen, suurten alueiden, kuten rakennusten ja seinien, peittäminen olisi kohtuuttoman kallista. Tutkijat ovat jo pitkään yrittäneet ratkaista näitä ongelmia. Muutama toistaiseksi raportoitu joustava suorakulmio toimii tällä hetkellä matalilla taajuuksilla eivätkä pysty kaappaamaan ja muuntamaan gigahertsin signaaleja, kuten useimmat matkapuhelin- ja Wi-Fi-signaalit ovat.
Tasasuuntaajan luomiseksi tutkijat käyttivät uutta kaksiulotteista materiaalia, molybdeenidisulfidia (MoS2), joka on 3 atomin paksuudessa yksi maailman ohuimmista puolijohdelaitteista. Tiimi käytti MoS2: n epätavallista käyttäytymistä: altistuessaan tietyille kemikaaleille materiaalin atomit järjestyvät siten, että se toimii kytkimenä aiheuttaen vaihemuutoksen puolijohteesta metallimateriaaliksi. Tämä rakenne tunnetaan Schottky-diodina.
"Luomalla MoS2 2D-puolijohde-metallivaiheessa rakennimme ohuen, erittäin nopean Schottky-diodin, joka minimoi samanaikaisesti sarjavastuksen ja loiskapasitanssin", kertoo projektin tekijä Xu Zhang.
Parasiittikapasitanssi on väistämätöntä elektroniikassa. Jotkut materiaalit muodostavat pienen sähkövarauksen, joka hidastaa virtapiiriä. Näin ollen pienempi kapasitanssi tarkoittaa suurempia tasasuuntaajan nopeuksia ja suurempia toimintataajuuksia. Schottky-diodin loiskapasitanssi on suuruusluokkaa pienempi kuin nykyaikaiset joustavat tasasuuntaajat, joten se muuntaa signaalin paljon nopeammin ja antaa sinun kaapata ja muuntaa jopa 10 GHz.
"Tässä mallissa on täysin joustava laite, joka on riittävän nopea kattamaan suurimman osan päivittäisen elektroniikan käyttämistä radiotaajuusalueista, mukaan lukien Wi-Fi, Bluetooth, matkapuhelin LTE ja paljon muuta", Zhang sanoo.
Joustavan suorakulmion tehokkuus
Kuvatussa työssä ehdotetaan piirustuksia muista tehokkaista joustavista laitteista. Nykyisen laitteen suurin tehokkuus on keskimäärin 40% ja riippuu Wi-Fi-tehosta. MoS2-tasasuuntaajan tyypillinen hyötysuhde on 30%. Vertailun vuoksi kovemmasta ja kalliimmasta pii- tai galliumarsenidista valmistettujen rennettien hyötysuhde saavuttaa 50-60%.
Kehitystiimi aikoo nyt rakentaa monimutkaisempia järjestelmiä ja parantaa tekniikan tehokkuutta.
Kirjoittaja: Sergey Prots