Stel je een wereld voor waarin smartphones, laptops, wearables en andere elektronica zonder batterijen werken. Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben een stap in deze richting gezet met de introductie van het eerste volledig flexibele apparaat dat de energie van wifi-signalen kan omzetten in elektriciteit in vermogenselektronica.
Wat is rectenna
Een rectenna is een apparaat dat wisselstroom elektromagnetische golven omzet in gelijkstroom. Onderzoekers beschreven een nieuwe soort in het tijdschrift Nature. Het maakt gebruik van een flexibele radiofrequentie-antenne die elektromagnetische golven opvangt, inclusief Wi-Fi. Het maakt verbinding met een tweedimensionale halfgeleider van meerdere atomen dik. De wisselstroom stroomt in de halfgeleider, die deze omzet in gelijkstroom, waarmee u elektronische schakelingen kunt voeden of batterijen kunt opladen.
Het apparaat vangt dus passief wifi-signalen op en converteert deze naar gelijkstroom. Het is flexibel en kan op rollen worden geproduceerd om een groot gebied te bestrijken.
De nieuwe manier om het internet der dingen aan te drijven
“Wat als we elektronische systemen maken die zich om een brug wikkelen, of een hele snelweg of kantoormuren bedekken en elektronische intelligentie geven aan alles om ons heen? Hoe voeden we al deze elektronica? Vraagt co-auteur Thomas Palacios, hoogleraar bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen en directeur van het Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories. "We hebben een nieuwe manier bedacht om de elektronische systemen van de toekomst van stroom te voorzien, waarbij we wifi-energie verzamelen op een manier die gemakkelijk in grote gebieden kan worden geïntegreerd, zodat alle objecten om ons heen intelligentie krijgen."
Promotie video:
Veelbelovende vroege toepassingen voor de voorgestelde rectenna zijn onder meer het aandrijven van flexibele en draagbare elektronica, medische apparaten en IoT-sensoren. Flexibele smartphones zijn bijvoorbeeld een hete nieuwe markt voor grote technologiebedrijven. Het experimentele apparaat genereert ongeveer 40 μW aan vermogen wanneer het wordt blootgesteld aan typische Wi-Fi-signaalvermogens (ongeveer 150 μW). Dit is meer dan genoeg om een eenvoudig display van een mobiele telefoon of powerchips te verlichten.
Toepassing in de geneeskunde
Volgens Jesús Grajal, een onderzoeker aan de Technische Universiteit van Madrid, is een van de mogelijke toepassingen van de ontwikkeling het bieden van datatransmissie voor implanteerbare medische apparaten. Bijvoorbeeld pillen die gegevens over de gezondheid van de patiënt naar een computer sturen voor daaropvolgende diagnose.
"Het is gevaarlijk om batterijen te gebruiken om deze systemen van stroom te voorzien, want als het lithium lekt, gaat de patiënt dood", zegt Grahal. "Het is veel beter om energie uit de omgeving te oogsten om deze kleine laboratoria in het lichaam van stroom te voorzien en gegevens naar externe computers te verzenden."
Flexibele gelijkrichter
Alle rectennes vertrouwen op een component die bekend staat als een "gelijkrichter" die wisselstroom naar gelijkstroom omzet. Bij traditionele rectennes is de gelijkrichter gemaakt van silicium of galliumarsenide. Deze materialen kunnen Wi-Fi-frequenties dekken, maar ze zijn sterk. Hoewel ze relatief goedkoop zijn om te gebruiken om kleine apparaten te maken, zou het onbetaalbaar zijn om grote oppervlakken, zoals de oppervlakken van gebouwen en muren, te bedekken. Onderzoekers proberen deze problemen al lang op te lossen. Maar een paar flexibele rectennes die tot dusverre zijn gemeld, werken op lage frequenties en kunnen gigahertz-signalen niet opvangen en converteren, wat de meeste gsm- en wifi-signalen zijn.
Om hun gelijkrichter te maken, gebruikten de onderzoekers een nieuw tweedimensionaal materiaal, molybdeendisulfide (MoS2), dat met een dikte van 3 atomen een van de dunste halfgeleidercomponenten ter wereld is. Het team gebruikte het ongebruikelijke gedrag van MoS2: bij blootstelling aan bepaalde chemicaliën herschikken de atomen van het materiaal zich zodanig dat het als een schakelaar fungeert, waardoor een faseovergang ontstaat van een halfgeleider naar een metallisch materiaal. Deze structuur staat bekend als een Schottky-diode.
"Door MoS2 te creëren in een 2D halfgeleider-metaal faseovergang, hebben we een dunne, ultrasnelle Schottky-diode gebouwd die tegelijkertijd serieweerstand en parasitaire capaciteit minimaliseert", zegt projectauteur Xu Zhang.
Parasitaire capaciteit is onvermijdelijk in elektronica. Sommige materialen bouwen een kleine elektrische lading op die het circuit vertraagt. Bijgevolg betekent een lagere capaciteit hogere gelijkrichtersnelheden en hogere werkfrequenties. De parasitaire capaciteit van een Schottky-diode is een orde van grootte kleiner dan die van moderne flexibele gelijkrichters, dus het converteert het signaal veel sneller en stelt u in staat om tot 10 GHz vast te leggen en om te zetten.
"Dit ontwerp heeft een volledig flexibel apparaat dat snel genoeg is om de meeste radiofrequentiebanden te dekken die door de dagelijkse elektronica worden gebruikt, waaronder wifi, Bluetooth, mobiele LTE en meer", zegt Zhang.
Effectiviteit van flexibele rectenna
In het beschreven werk worden tekeningen van andere krachtige flexibele apparaten voorgesteld. De maximale output-efficiëntie van het huidige apparaat is gemiddeld 40% en hangt af van het wifi-vermogen. De MoS2-gelijkrichter heeft een typisch rendement van 30%. Ter referentie: de efficiëntie van rectennes gemaakt van harder en duurder silicium of galliumarsenide bereikt 50-60%.
Nu is het ontwikkelingsteam van plan om complexere systemen te bouwen en de efficiëntie van de technologie te verbeteren.
Auteur: Sergey Prots
