Наши глаза настроены только на узкую полосу возможных длин волн электромагнитного излучения, порядка 390-700 нанометров. Если бы вы могли видеть мир на разных длинах волн, вы бы знали, что в городской зоне вы освещены даже в темноте — повсюду инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Часть этого электромагнитного излучения окружающей среды испускается объектами, которые разбрасывают повсюду свои электроны, и часть переносит радиосигналы и сигналы Wi-Fi, которые лежат в основе наших систем связи. Все это излучение также переносит энергию.

Что, если бы мы могли использовать энергию электромагнитных волн?

Исследователи из Массачусетского технологического института представили исследование, которое появилось в журнале Nature, где подробно описали, как приступили к практической реализации этой цели. Они разработали первое полностью изгибаемое устройство, которое может преобразовывать энергию из сигналов Wi-Fi в пригодное для использования электричество постоянного тока.

Любое устройство, которое может преобразовывать сигналы переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), называется ректенной: выпрямляющей антенной (rectifying antenna). Антенна улавливает электромагнитное излучение, преобразуя его в переменный ток. Затем он проходит через диод, который преобразует его в постоянный ток для использования в электрических цепях.

Впервые ректенны были предложены в 1960-х годах и даже использовались для демонстрации модели вертолета, приводимого в действие микроволнами, в 1964 году изобретателем Уильямом Брауном. На этом этапе футуристы уже мечтали о беспроводной передаче энергии на большие расстояния и даже использования ректенн для сбора космической солнечной энергии со спутников и передачи на Землю.

Оптическая ректенна

Сегодня новые технологии работы в наномасштабах позволяют много нового. В 2015 году исследователи из Технологического института Джорджии собрали первую оптическую ректенну, способную справляться с высокими частотами в видимом спектре, из углеродных нанотрубок.

Пока что эти новые оптические ректенны имеют имеют низкую эффективность, около 0,1 процента, и поэтому не могут конкурировать с растущей эффективностью фотоэлектрических солнечных панелей. Но теоретический предел для солнечных батарей на основе ректенн, вероятно, выше, чем предел Шокли-Кьюссера для солнечных элементов, и может достигать 100% при освещении излучением определенной частоты. Это делает возможной эффективную беспроводную передачу энергии.

Новая часть устройства, изготовленного MIT, использует преимущества гибкой радиочастотной антенны, которая может захватывать длины волн, ассоциирующиеся с сигналами Wi-Fi, и преобразовывать их в переменный ток. Затем, вместо традиционного диода для преобразования этого тока в постоянный, новое устройство задействует «двумерный» полупроводник, толщиной всего в несколько атомов, создавая напряжение, которое можно использовать для питания носимых устройств, датчиков, медицинских устройств или электроники большой площади.

Новые ректенны состоят из таких «двумерных» (2D) материалов — дисульфида молибдена (MoS2), который всего в три атома толщиной. Одним из его замечательных свойств является снижение паразитной емкости — тенденция материалов в электрических цепях действовать в роли конденсаторов, удерживающих определенное количество заряда. В электронике постоянного тока это может ограничивать скорость преобразователей сигналов и способность устройств реагировать на высокие частоты. Новые ректенны из дисульфида молибдена имеют паразитную емкость на порядок ниже тех, которые были разработаны до настоящего времени, что позволяет устройству захватывать сигналы до 10 ГГц, в том числе в диапазоне типичных Wi-Fi устройств.

У такой системы было бы меньше проблем, связанных с батареями: ее жизненный цикл был бы намного длиннее, электрические устройства заряжались бы от окружающего излучения и не было бы необходимости утилизировать компоненты, как в случае с батареями.

«Что, если бы мы могли разработать электронные системы, которые обернем вокруг моста или которыми накроем целую магистраль, стены нашего офиса, и дадим электронный интеллект всему, что нас окружает? Как вы будете обеспечивать энергией всю эту электронику?», задается вопросом соавтор работы Томас Паласиос, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте. «Мы придумали новый способ питания электронных систем будущего».

Использование 2D-материалов позволяет дешево производить гибкую электронику, что потенциально позволит нам размещать ее на больших площадях для сбора излучения. Гибкими устройствами можно было бы оснастить музей или дорожную поверхность, и это было бы гораздо дешевле, чем использовать ректенны из традиционных кремниевых или полупроводников из арсенида галлия.

Можно ли зарядить телефон от Wi-Fi сигналов?

К сожалению, этот вариант кажется крайне маловероятным, хотя на протяжении многих лет тема «свободной энергии» дурачила людей снова и снова. Проблема заключается в энергетической плотности сигналов. Максимальная мощность, которую может использовать точка доступа Wi-Fi без специально лицензии на вещание, как правило, составляет 100 милливатт (мВт). Эти 100 мВт излучаются во всех направлениях, распространяясь по площади поверхности сферы, в центре которой — точка доступа.

Даже если бы ваш мобильный телефон собирал всю эту мощность со 100-процентной эффективностью, для зарядки батареи iPhone все равно потребовались бы дни, а небольшая площадь телефона и его расстояние до точки доступа серьезно ограничат количество энергии, которое он мог бы собрать с этих сигналов. Новое устройство MIT сможет захватывать около 40 микроватт энергии при воздействии типичной плотности Wi-Fi в 150 микроватт: этого недостаточно для питания iPhone, однако достаточно для простого дисплея или удаленного беспроводного датчика.

По этой причине гораздо более вероятно, что беспроводная зарядка для более крупных гаджетов будет опираться на индукционную зарядку, которая уже в состоянии питать устройства на расстоянии до метра, если между беспроводным зарядным устройством и объектом зарядки нет ничего.

Тем не менее, окружающая радиочастотная энергия может использоваться для питания определенных типов устройств — как, вы думаете, работали советские радиоприемники? И грядущий «интернет вещей» однозначно будет использовать эти модели питания. Осталось только создать датчики с низким энергопотреблением.

Соавтор работы Хесус Гражал из Технического университета Мадрида видит потенциальное применение в имплантируемых медицинских устройствах: таблетка, которую пациент может проглотить, передаст данные о здоровье обратно на компьютер для диагностики. «В идеале не хотелось бы использовать батареи для питания таких систем, потому что, если они будут пропускать литий, пациент может умереть», говорит Гражал. «Намного лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти маленькие лаборатории внутри тела и передавать данные на внешние компьютеры».

Текущая эффективность работы устройства составляет около 30-40% по сравнению с 50-60% для традиционных ректенн. Наряду с такими понятиями, как пьезоэлектричество (материалы, которые генерируют электроэнергию при физическом сжатии или растяжении), электричество, генерируемое бактериями и теплом окружающей среды, «беспроводное» электричество вполне может стать одним из источников питания для микроэлектроники будущего.

Источник: hi-news