Onze ogen zijn alleen afgestemd op een smalle band van mogelijke golflengten van elektromagnetische straling, in de orde van grootte van 390-700 nanometer. Als je de wereld op verschillende golflengten zou kunnen zien, zou je weten dat je in een stedelijk gebied zelfs in het donker verlicht bent - infraroodstraling, microgolven en radiogolven zijn overal. Een deel van deze elektromagnetische straling uit de omgeving wordt uitgezonden door objecten die hun elektronen overal verspreiden, en sommige dragen de radio- en wifi-signalen die ten grondslag liggen aan onze communicatiesystemen. Al deze straling draagt ook energie.
Wat als we de energie van elektromagnetische golven zouden kunnen gebruiken?
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology presenteerden een studie die in het tijdschrift Nature verscheen en waarin ze uiteenzetten hoe ze tot de praktische implementatie van dit doel kwamen. Ze ontwikkelden het eerste volledig buigbare apparaat dat energie van wifi-signalen kan omzetten in bruikbare gelijkstroom.
Elk apparaat dat AC-signalen in gelijkstroom (DC) kan omzetten, wordt een gelijkrichtantenne genoemd. De antenne pikt elektromagnetische straling op en zet deze om in wisselstroom. Het passeert vervolgens een diode, die het omzet in gelijkstroom voor gebruik in elektrische circuits.
Rectennas werden voor het eerst voorgesteld in de jaren zestig en werden in 1964 zelfs gebruikt om een helikoptermodel met microgolven te demonstreren door uitvinder William Brown. In dit stadium droomden de futuristen al van draadloze overdracht van energie over lange afstanden en zelfs het gebruik van rectennes om zonne-energie uit de ruimte van satellieten te verzamelen en naar de aarde te verzenden.
Optische rectenna
Promotie video:
Tegenwoordig laten nieuwe technologieën voor het werken op nanoschaal veel nieuwe dingen toe. In 2015 hebben onderzoekers van Georgia Institute of Technology de eerste optische rectenna samengesteld die in staat is om hoge frequenties in het zichtbare spectrum van koolstofnanobuisjes te verwerken.
Tot dusverre hebben deze nieuwe optische rechthoeken een lage efficiëntie, ongeveer 0,1 procent, en kunnen ze daarom niet concurreren met de toenemende efficiëntie van fotovoltaïsche zonnepanelen. Maar de theoretische limiet voor zonnecellen op basis van rectenna is waarschijnlijk hoger dan de Shockley-Kuisser-limiet voor zonnecellen en kan 100% bereiken bij belichting met straling van een bepaalde frequentie. Dit maakt een efficiënte draadloze krachtoverbrenging mogelijk.
Het nieuwe deel van het apparaat, vervaardigd door MIT, maakt gebruik van een flexibele RF-antenne die golflengten van Wi-Fi-signalen kan opvangen en deze kan omzetten in wisselstroom. In plaats van een traditionele diode om die stroom naar gelijkstroom om te zetten, gebruikt het nieuwe apparaat een 'tweedimensionale' halfgeleider van slechts enkele atomen dik, waardoor een spanning ontstaat die kan worden gebruikt om draagbare apparaten, sensoren, medische apparaten of elektronica met een groot oppervlak van stroom te voorzien.
De nieuwe rectennes zijn gemaakt van tweedimensionale (2D) materialen - molybdeendisulfide (MoS2), dat slechts drie atomen dik is. Een van zijn opmerkelijke eigenschappen is de vermindering van parasitaire capaciteit - de neiging van materialen in elektrische circuits om als condensatoren te werken en een bepaalde hoeveelheid lading vast te houden. In DC-elektronica kan dit de snelheid van signaalomzetters beperken en het vermogen van apparaten om op hoge frequenties te reageren. De nieuwe molybdeendisulfide-rectennes hebben een orde van grootte lagere parasitaire capaciteit dan die tot nu toe zijn ontwikkeld, waardoor het apparaat signalen tot 10 GHz kan opvangen, ook in het bereik van typische Wi-Fi-apparaten.
Zo'n systeem zou minder problemen hebben met batterijen: de levensduur zou veel langer zijn, elektrische apparaten zouden worden opgeladen door omgevingsstraling en er zouden geen componenten hoeven te worden weggegooid, zoals bij batterijen het geval is.
“Wat als we elektronische systemen zouden kunnen ontwikkelen die zich rond een brug zouden wikkelen of die een hele snelweg zouden bedekken, de muren van ons kantoor, en elektronische intelligentie zouden geven aan alles om ons heen? Hoe ga je al deze elektronica aandrijven?”, Vraagt co-auteur Thomas Palacios, professor in de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen aan het Massachusetts Institute of Technology. "We hebben een nieuwe manier bedacht om de elektronische systemen van de toekomst van stroom te voorzien."
Door het gebruik van 2D-materialen kan flexibele elektronica goedkoop worden geproduceerd, waardoor we ze mogelijk over grote oppervlakken kunnen plaatsen om straling op te vangen. Flexibele apparaten zouden kunnen worden gebruikt om een museum of wegdek uit te rusten, en het zou veel goedkoper zijn dan het gebruik van rectennes van traditionele silicium- of galliumarsenide-halfgeleiders.
Kan ik mijn telefoon opladen via Wi-Fi-signalen?
Helaas lijkt deze optie hoogst onwaarschijnlijk, hoewel het onderwerp "vrije energie" in de loop der jaren mensen keer op keer voor de gek heeft gehouden. Het probleem zit hem in de energiedichtheid van de signalen. Het maximale vermogen dat een Wi-Fi-hotspot kan gebruiken zonder een speciale uitzendlicentie is doorgaans 100 milliwatt (mW). Deze 100 mW straalt in alle richtingen en verspreidt zich over het oppervlak van een bol in het midden van het AP.
Zelfs als je mobiele telefoon al dit vermogen met 100 procent efficiëntie zou verzamelen, zou het nog steeds dagen duren om de batterij van de iPhone op te laden, en de kleine footprint van de telefoon en de afstand tot de hotspot zou de hoeveelheid energie die het van deze signalen zou kunnen verzamelen ernstig beperken. Het nieuwe apparaat van MIT zal ongeveer 40 microwatt aan stroom kunnen opnemen bij blootstelling aan een typische wifi-dichtheid van 150 microwatt: niet genoeg om een iPhone van stroom te voorzien, maar genoeg voor een eenvoudig display of draadloze sensor op afstand.
Om deze reden is het veel waarschijnlijker dat draadloos opladen voor grotere gadgets afhankelijk is van inductieladen, waarmee apparaten al tot een meter afstand kunnen worden opgeladen als er niets tussen de draadloze oplader en het oplaadobject zit.
De omringende RF-energie kan echter worden gebruikt om bepaalde soorten apparaten van stroom te voorzien - hoe denk je dat Sovjetradio's werkten? En het opkomende "Internet of Things" zal deze voedselmodellen zeker gebruiken. Het enige dat overblijft, is het maken van sensoren met een laag stroomverbruik.
Medeauteur Jesús Grajal van de Technische Universiteit van Madrid ziet potentieel gebruik in implanteerbare medische hulpmiddelen: een pil die een patiënt kan inslikken, zal gezondheidsgegevens terug naar een computer sturen voor diagnose. "Idealiter zouden we geen batterijen willen gebruiken om dergelijke systemen van stroom te voorzien, want als ze lithium doorlaten, kan de patiënt overlijden", zegt Grajal. "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."
De huidige efficiëntie van het apparaat is ongeveer 30-40% vergeleken met 50-60% voor traditionele rectennes. Samen met concepten als piëzo-elektriciteit (materialen die elektriciteit opwekken wanneer ze fysiek worden samengeperst of uitgerekt), elektriciteit die wordt opgewekt door bacteriën en de warmte van de omgeving, kan "draadloze" elektriciteit wel eens een van de energiebronnen worden voor micro-elektronica van de toekomst.
Ilya Khel