Research

Чи зможемо ми коли-небудь зарядити телефон від Wi-Fi сигналів?

Наші очі налаштовані тільки на вузьку смугуможливих довжин хвиль електромагнітного випромінювання, порядку 390-700 нанометрів. Якби ви могли бачити світ на різних довжинах хвиль, ви б знали, що в міській зоні ви висвітлені навіть в темряві - всюди інфрачервоне випромінювання, мікрохвилі і радіохвилі. Частина цього електромагнітного випромінювання навколишнього середовища випускається об'єктами, які розкидають всюди свої електрони, і частина переносить радіосигнали і сигнали Wi-Fi, які лежать в основі наших систем зв'язку. Все це випромінювання також переносить енергію.

Що, якби ми могли використовувати енергію електромагнітних хвиль?

Дослідники з Массачусетського технологічногоінституту представили дослідження, яке з'явилося в журналі Nature, де докладно описали, як приступили до практичної реалізації цієї мети. Вони розробили перший повністю згинатися пристрій, який може перетворювати енергію з сигналів Wi-Fi у придатний для використання електрику постійного струму.

Будь-який пристрій, яке може перетворюватисигнали змінного струму (AC) в постійний струм (DC), називається ректенной: випрямляє антеною (rectifying antenna). Антена вловлює електромагнітне випромінювання, перетворюючи його в змінний струм. Потім він проходить через діод, який перетворює його в постійний струм для використання в електричних ланцюгах.

Вперше ректенни були запропоновані в 1960-х роках інавіть використовувалися для демонстрації моделі вертольота, що приводиться в дію мікрохвиль, в 1964 році винахідником Вільямом Брауном. На цьому етапі футуристи вже мріяли про бездротової передачі енергії на великі відстані і навіть використання ректенн для збору космічної сонячної енергії із супутників і передачі на Землю.

оптична ректенна

Сьогодні нові технології роботи в наномасштабідозволяють багато нового. У 2015 році дослідники з Технологічного інституту Джорджії зібрали першу оптичну ректенну, здатну справлятися з високими частотами в видимому діапазоні, з вуглецевих нанотрубок.

Поки що ці нові оптичні ректенни маютьмають низьку ефективність, близько 0,1 відсотка, і тому не можуть конкурувати зі зростаючою ефективністю фотоелектричних сонячних панелей. Але теоретичну межу для сонячних батарей на основі ректенн, ймовірно, вище, ніж межа Шоклі-Кьюссера для сонячних елементів, і може досягати 100% при освітленні випромінюванням певної частоти. Це уможливлює ефективну бездротову передачу енергії.

Нова частина пристрою, виготовленого MIT,використовує переваги гнучкої радіочастотної антени, яка може захоплювати довжини хвиль, що асоціюються з сигналами Wi-Fi, і перетворювати їх в змінний струм. Потім, замість традиційного діода для перетворення цього струму в постійний, новий пристрій задіює «двовимірний» напівпровідник, товщиною всього в декілька атомів, створюючи напруження, яке можна використовувати для харчування носяться пристроїв, датчиків, медичних пристроїв або електроніки великої площі.

Нові ректенни складаються з таких «двовимірних» (2D)матеріалів - дисульфіду молібдену (MoS2), який всього в три атома товщиною. Одним з його чудових властивостей є зниження паразитної ємності - тенденція матеріалів в електричних ланцюгах діяти в ролі конденсаторів, що утримують певну кількість заряду. В електроніці постійного струму це може обмежувати швидкість перетворювачів сигналів і здатність пристроїв реагувати на високі частоти. Нові ректенни з дисульфіду молібдену мають паразитне ємність на порядок нижчі за ті, які були розроблені до теперішнього часу, що дозволяє пристрою захоплювати сигнали до 10 ГГц, в тому числі в діапазоні типових Wi-Fi пристроїв.

У такої системи було б менше проблем, пов'язанихз батареями: її життєвий цикл був би набагато довше, електричні пристрої заряджалися б від навколишнього випромінювання і не було б необхідності утилізувати компоненти, як у випадку з батареями.

«Що, якби ми могли розробити електроннісистеми, які обгорнемо навколо моста або якими накриємо цілу магістраль, стіни нашого офісу, і дамо електронний інтелект всьому, що нас оточує? Як ви будете забезпечувати енергією всю цю електроніку? », Задається питанням співавтор роботи Томас Паласіос, професор кафедри електротехніки та комп'ютерних наук в Массачусетському технологічному інституті. «Ми придумали новий спосіб харчування електронних систем майбутнього».

Використання 2D-матеріалів дозволяє дешевовиробляти гнучку електроніку, що потенційно дозволить нам розміщувати її на великих площах для збору випромінювання. Гнучкими пристроями можна було б оснастити музей або дорожню поверхню, і це було б набагато дешевше, ніж використовувати ректенни з традиційних кремнієвих або напівпровідників з арсеніду галію.

Чи можна зарядити телефон від Wi-Fi сигналів?

На жаль, цей варіант здається вкраймалоймовірним, хоча протягом багатьох років тема «вільної енергії» дурила людей знову і знову. Проблема полягає в енергетичній щільності сигналів. Максимальна потужність, яку може використовувати точка доступу Wi-Fi без спеціально ліцензії на мовлення, як правило, становить 100 милливатт (мВт). Ці 100 мВт випромінюються в усіх напрямках, поширюючись по площі поверхні сфери, в центрі якої - точка доступу.

Навіть якби ваш мобільний телефон збирав всюцю потужність з 100-відсотковою ефективністю, для зарядки батареї iPhone все одно потрібні були б дні, а невелика площа телефону і його відстань до точки доступу серйозно обмежать кількість енергії, яку він міг би зібрати з цих сигналів. Новий пристрій MIT зможе захоплювати близько 40 мікроват енергії при впливі типовою щільності Wi-Fi в 150 мікроват: цього недостатньо для харчування iPhone, проте досить для простого дисплея або віддаленого датчика.

З цієї причини набагато більш імовірно, щобездротова зарядка для більших гаджетів буде спиратися на індукційну зарядку, яка вже в стані живити пристрої на відстані до метра, якщо між бездротовим зарядним пристроєм і об'єктом зарядки немає нічого.

Проте, навколишнє радіочастотна енергіяможе використовуватися для харчування певних типів пристроїв - як, ви думаєте, працювали радянські радіоприймачі? І прийдешній «інтернет речей» однозначно буде використовувати ці моделі харчування. Залишилося тільки створити датчики з низьким енергоспоживанням.

Співавтор роботи Хесус Гражау з Технічногоуніверситету Мадрида бачить потенційне застосування в імплантуються медичних пристроях: таблетка, яку пацієнт може проковтнути, передасть дані про здоров'я назад на комп'ютер для діагностики. «В ідеалі не хотілося б використовувати батареї для живлення таких систем, тому що, якщо вони будуть пропускати літій, пацієнт може померти», говорить Гражау. «Набагато краще збирати енергію з навколишнього середовища, щоб живити ці маленькі лабораторії всередині тіла і передавати дані на зовнішні комп'ютери».

Поточна ефективність роботи пристроюстановить близько 30-40% в порівнянні з 50-60% для традиційних ректенн. Поряд з такими поняттями, як п'єзоелектрику (матеріали, які генерують електроенергію при фізичному стисненні або розтягуванні), електрику, що генерується бактеріями і теплом навколишнього середовища, «бездротове» електрику цілком може стати одним із джерел живлення для мікроелектроніки майбутнього.

Сподіваюся, ви не засмутилися тим, що даний метод зарядки для телефонів не підходить? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.