Silmämme on viritetty vain kapealle kaistalle, jolla on sähkömagneettisen säteilyn mahdolliset aallonpituudet, luokkaa 390-700 nanometriä. Jos voisit nähdä maailman eri aallonpituuksilla, tiedät, että kaupunkialueella sinut valaistaan myös pimeässä - infrapunasäteily, mikroaaltoja ja radioaaltoja on kaikkialla. Osa tästä ympäristön sähkömagneettisesta säteilystä lähtee esineistä, jotka sirottavat elektronejaan kaikkialle, ja toiset kantavat radio- ja Wi-Fi-signaaleja, jotka ovat tietoliikennejärjestelmiemme taustalla. Kaikki tämä säteily kuljettaa myös energiaa.
Entä jos voisimme hyödyntää sähkömagneettisten aaltojen energiaa?
Massachusettsin teknillisen instituutin tutkijat esittivät Nature-lehdessä ilmestyneen tutkimuksen, jossa kerrotaan kuinka he pääsivät tämän tavoitteen käytännön toteutukseen. He kehittivät ensimmäisen täysin taivutettavan laitteen, joka voi muuntaa Wi-Fi-signaaleista peräisin olevan energian käyttökelpoiseksi tasavirtasähköksi.
Kaikkia laitteita, jotka voivat muuntaa vaihtosignaalit tasavirraksi, kutsutaan tasasuuntausantenniksi. Antenni ottaa vastaan sähkömagneettisen säteilyn ja muuntaa sen vaihtovirraksi. Sitten se kulkee diodin läpi, joka muuntaa sen tasavirraksi käytettäväksi sähköpiireissä.
Rectennoja ehdotettiin ensimmäisen kerran 1960-luvulla, ja keksijä William Brown käytti niitä jopa mikroaaltokäyttöisen helikopterimallin esittelyyn vuonna 1964. Tässä vaiheessa futuristit haaveilivat jo langattomasta energiansiirrosta pitkillä etäisyyksillä ja jopa suorakulmioiden käytöstä avaruusenergian keräämiseen satelliiteista ja lähettämiseen Maan päälle.
Optinen tasasuunta
Mainosvideo:
Nykyään uudet nanoluokan tekniikat mahdollistavat paljon uusia asioita. Vuonna 2015 Georgian teknillisen instituutin tutkijat kokoontuivat ensimmäisen optisen tasasuuntaajan, joka pystyi käsittelemään korkeita taajuuksia näkyvällä spektrillä hiilinanoputkista.
Toistaiseksi näillä uusilla optisilla tasasuuntaajilla on alhainen hyötysuhde, noin 0,1 prosenttia, eivätkä ne siten voi kilpailla aurinkosähköpaneelien kasvavan tehokkuuden kanssa. Mutta suorasuuntaisilla aurinkokennoilla teoreettinen raja on todennäköisesti korkeampi kuin Shockley-Kuisser -raja aurinkokennoille, ja se voi saavuttaa 100%, kun valaistaan tietyn taajuuden säteilyllä. Tämä mahdollistaa tehokkaan langattoman voimansiirron.
MIT: n valmistama uusi osa laitetta hyödyntää joustavaa RF-antennia, joka voi kaapata Wi-Fi-signaaleihin liittyvät aallonpituudet ja muuntaa ne vaihtovirraksi. Sitten uusi laite käyttää perinteisen diodin sijaan tämän virran muuntamiseksi tasavirraksi vain muutaman atomin paksuista "kaksiulotteista" puolijohdetta, mikä luo jännitteen, jota voidaan käyttää puettavien laitteiden, antureiden, lääkinnällisten laitteiden tai suuren alueen elektroniikan virtalähteeseen.
Uudet peräsuolet koostuvat kaksiulotteisista (2D) materiaaleista - molybdeenidisulfidista (MoS2), joka on vain kolme atomia paksu. Yksi sen merkittävistä ominaisuuksista on loiskapasitanssin väheneminen - sähköpiirien materiaalien taipumus toimia kondensaattoreina, joilla on tietty määrä varausta. DC-elektroniikassa tämä voi rajoittaa signaalimuuntimien nopeutta ja laitteiden kykyä vastata korkeisiin taajuuksiin. Uusilla molybdeenidisulfidirektenneillä on suuruusluokkaa pienempi loistekapasitanssi kuin tähän mennessä kehitetty, mikä sallii laitteen siepata jopa 10 GHz: n signaaleja, myös tyypillisten Wi-Fi-laitteiden alueella.
Tällaisella järjestelmällä olisi vähemmän ongelmia paristojen kanssa: sen elinkaari olisi paljon pidempi, sähkölaitteet latautuisivat ympäristön säteilystä eikä komponentteja tarvitsisi hävittää, kuten paristojen tapauksessa.
"Entä jos voisimme kehittää elektronisia järjestelmiä, jotka käärittyisivät sillan ympärille tai peittäisivät koko valtatien, toimistomme seinät ja antaisivat sähköistä älykkyyttä kaikelle, mikä ympäröi meitä? Kuinka aiot käyttää kaikkea tätä elektroniikkaa?”Kysyy toinen kirjoittaja, Thomas Palacios, professori Massachusettsin teknillisen instituutin sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen laitokselta. "Olemme keksineet uuden tavan käyttää tulevaisuuden sähköisiä järjestelmiä."
2D-materiaalien käyttö mahdollistaa joustavan elektroniikan tuottamisen halvalla, mikä antaa meille mahdollisuuden sijoittaa ne suurille alueille säteilyn keräämiseksi. Joustavia laitteita voitaisiin käyttää museon tai tien pinnan varustamiseen, ja se olisi paljon halvempaa kuin perinteisten pii- tai galliumarsenidipuolijohteiden suorakulmioiden käyttö.
Voinko ladata puhelimen Wi-Fi-signaaleista?
Valitettavasti tämä vaihtoehto näyttää erittäin epätodennäköiseltä, vaikka "vapaan energian" aihe on vuosien varrella huijannut ihmisiä yhä uudelleen. Ongelma on signaalien energiatiheydessä. Suurin teho, jota Wi-Fi-hotspot voi käyttää ilman erillistä lähetyslisenssiä, on tyypillisesti 100 milliwattia (mW). Tämä 100 mW säteilee kaikkiin suuntiin levittäen AP: hen keskitetyn pallon pinta-alalle.
Vaikka matkapuhelimesi keräisi kaiken tämän tehon 100 prosentin hyötysuhteella, iPhonen akun lataaminen kestää silti päiviä, ja puhelimen pieni jalanjälki ja etäisyys hotspotiin rajoittaisivat vakavasti energian määrää, jonka se voisi kerätä näistä signaaleista. MIT: n uusi laite pystyy sieppaamaan noin 40 mikrotehoa tehoa, kun se altistetaan tyypilliselle 150 mikrowatin Wi-Fi-tiheydelle: ei riitä iPhonen virtalähteeksi, mutta tarpeeksi yksinkertaiselle näytölle tai langattomalle etäanturille.
Tästä syystä on paljon todennäköisempää, että suurempien laitteiden langaton lataus riippuu induktiolatauksesta, joka pystyy jo virtalähteisiin jopa metrin päässä, jos langattoman laturin ja latauskohteen välillä ei ole mitään.
Ympäröivää radiotaajuusenergiaa voidaan kuitenkin käyttää tietyntyyppisten laitteiden virtalähteeseen - miten luulet Neuvostoliiton radiot toimivan? Ja tuleva "esineiden internet" käyttää ehdottomasti näitä ruokamalleja. On vain luotava antureita, joilla on pieni virrankulutus.
Kirjoittaja Jesús Grajal Madridin teknillisestä yliopistosta näkee potentiaalisen käytön implantoitavissa lääkinnällisissä laitteissa: pilleri, jonka potilas voi niellä, siirtää terveystiedot takaisin tietokoneeseen diagnoosia varten. "Ihannetapauksessa emme halua käyttää paristoja tällaisten järjestelmien virtalähteeseen, koska jos ne päästävät litiumin läpi, potilas voi kuolla", Grajal sanoo. "On paljon parempi kerätä energiaa ympäristöstä näiden pienten laboratorioiden käyttämiseksi kehon sisällä ja tietojen siirtämiseksi ulkoisiin tietokoneisiin."
Laitteen nykyinen hyötysuhde on noin 30–40% verrattuna perinteisten suorakulmioiden 50–60%: iin. Käsitteiden kuten pietsosähkö (materiaalit, jotka tuottavat sähköä fyysisesti puristettuna tai venytettynä), bakteerien tuottama sähkö ja ympäristön lämpö, "langattomasta" sähköstä voi hyvinkin tulla yksi tulevaisuuden mikroelektroniikan virtalähteistä.
Ilya Khel