Очите ни са настроени само на тясна лента от възможни дължини на вълните на електромагнитното излъчване от порядъка на 390-700 нанометра. Ако можехте да видите света на различни дължини на вълните, бихте знаели, че в градска зона сте осветени дори в тъмнината - навсякъде има инфрачервено лъчение, микровълни и радиовълни. Част от това електромагнитно излъчване от околната среда се излъчва от обекти, които разпръскват електроните си навсякъде, а някои носят радио и Wi-Fi сигнали, които са в основата на нашите комуникационни системи. Цялата тази радиация носи и енергия.
Ами ако можем да използваме енергията на електромагнитните вълни?
Изследователи от Масачузетския технологичен институт представиха проучване, което се появи в списание Nature, описвайки подробно как са стигнали до практическото изпълнение на тази цел. Те разработиха първото напълно огъващо се устройство, което може да преобразува енергията от Wi-Fi сигнали в използваема постоянна електрическа енергия.
Всяко устройство, което може да преобразува променливотокови сигнали в постоянен ток (DC), се нарича коригираща антена. Антената улавя електромагнитно излъчване, преобразувайки го в променлив ток. След това преминава през диод, който го преобразува в постоянен ток за използване в електрически вериги.
Rectennas са предложени за първи път през 60-те години и дори са били използвани за демонстриране на модел на хеликоптер с микровълново захранване през 1964 г. от изобретателя Уилям Браун. На този етап футуристите вече са мечтали за безжично предаване на енергия на дълги разстояния и дори за използване на ректани за събиране на космическа слънчева енергия от спътници и предаване на Земята.
Оптична ретена
Промоционално видео:
Днес новите технологии за работа в наномащаб позволяват много нови неща. През 2015 г. изследователи от Технологичния институт в Джорджия събраха първата оптична ретена, способна да обработва високи честоти във видимия спектър от въглеродни нанотръби.
Досега тези нови оптични референтни устройства имат ниска ефективност, около 0,1%, и следователно не могат да се конкурират с нарастващата ефективност на фотоволтаичните слънчеви панели. Но теоретичната граница за слънчеви клетки, базирани на ретена, вероятно е по-висока от границата на Шокли-Куйсер за слънчеви клетки и може да достигне 100%, когато е осветена с радиация с определена честота. Това позволява ефективно безжично предаване на мощност.
Новата част на устройството, произведена от MIT, се възползва от гъвкава RF антена, която може да улавя дължини на вълните, свързани с Wi-Fi сигнали, и да ги преобразува в променлив ток. След това, вместо традиционен диод за преобразуване на този ток в постоянен ток, новото устройство използва "двуизмерен" полупроводник с дебелина само няколко атома, създавайки напрежение, което може да се използва за захранване на носими устройства, сензори, медицински устройства или електроника с голяма площ.
Новите ректани са съставени от двумерни (2D) материали - молибден дисулфид (MoS2), който е с дебелина само три атома. Едно от забележителните му свойства е намаляването на паразитния капацитет - тенденцията на материалите в електрическите вериги да действат като кондензатори, които държат определено количество заряд. В електрониката с постоянен ток това може да ограничи скоростта на преобразувателите на сигнала и способността на устройствата да реагират на високи честоти. Новите молибденови дисулфидни ректани имат с порядък по-нисък паразитен капацитет от разработените досега, което позволява на устройството да улавя сигнали до 10 GHz, включително в обхвата на типичните Wi-Fi устройства.
Такава система би имала по-малко проблеми с батериите: нейният жизнен цикъл ще бъде много по-дълъг, електрическите устройства ще се зареждат от околната радиация и няма да има нужда да се изхвърлят компоненти, както е в случая с батериите.
„Ами ако можем да разработим електронни системи, които да се увиват около мост или да покриват цяла магистрала, стените на нашия офис и да предоставят електронна интелигентност на всичко, което ни заобикаля? Как ще захранвате цялата тази електроника? “, Пита съавторът Томас Паласиос, професор в катедрата по електротехника и компютърни науки в Масачузетския технологичен институт. „Измислихме нов начин за захранване на електронните системи на бъдещето.“
Използването на 2D материали позволява евтина електроника да се произвежда евтино, като потенциално ни позволява да ги поставяме на големи площи за събиране на радиация. Гъвкавите устройства могат да бъдат използвани за оборудване на музей или пътна настилка и би било много по-евтино, отколкото използването на ретени от традиционни полупроводници от силиций или галиев арсенид.
Мога ли да зареждам телефона си от Wi-Fi сигнали?
За съжаление тази опция изглежда крайно малко вероятно, въпреки че през годините темата за „безплатната енергия“заблуждава хората отново и отново. Проблемът се крие в енергийната плътност на сигналите. Максималната мощност, която Wi-Fi точка за достъп може да използва без специален лиценз за излъчване, обикновено е 100 миливата (mW). Тези 100mW излъчват във всички посоки, разпространявайки се върху повърхността на сфера, центрирана върху AP.
Дори мобилният ви телефон да събира цялата тази мощност със 100% ефективност, пак ще отнеме дни, за да заредите батерията на iPhone, а малкият отпечатък и разстоянието на телефона до горещата точка ще ограничат сериозно количеството енергия, което може да събере от тези сигнали. Новото устройство на MIT ще може да улови около 40 микровата мощност, когато е изложено на типична Wi-Fi плътност от 150 микровата: недостатъчно за захранване на iPhone, но достатъчно за обикновен дисплей или отдалечен безжичен сензор.
Поради тази причина е много по-вероятно безжичното зареждане за по-големи джаджи да разчита на индукционно зареждане, което вече е в състояние да захранва устройства на разстояние до метър, ако между безжичното зарядно устройство и обекта за зареждане няма нищо.
Въпреки това, околната радиочестотна енергия може да се използва за захранване на определени видове устройства - как мислите, че са работили съветските радиостанции? А предстоящият Интернет на нещата определено ще използва тези модели храни. Остава само да се създадат сензори с ниска консумация на енергия.
Съавторът Jesús Grajal от Техническия университет в Мадрид вижда потенциална употреба в имплантируемите медицински изделия: хапче, което пациентът може да погълне, ще прехвърли здравните данни обратно в компютър за диагностика. „В идеалния случай не бихме искали да използваме батерии за захранване на такива системи, защото ако те пропуснат литий, пациентът може да умре“, казва Граджал. "Много по-добре е да събираме енергия от околната среда, за да захранваме тези малки лаборатории в тялото и да предаваме данни на външни компютри."
Текущата ефективност на устройството е около 30-40% в сравнение с 50-60% за традиционните ретени. Заедно с понятия като пиезоелектричество (материали, които генерират електричество при физическо изстискване или разтягане), електричество, генерирано от бактерии и топлината на околната среда, „безжичното“електричество може да се превърне в един от източниците на енергия за микроелектрониката на бъдещето.
Иля Хел