Kujutage ette maailma, kus nutitelefonid, sülearvutid, kantavad seadmed ja muu elektroonika töötavad ilma patareideta. Massachusettsi tehnoloogiainstituudi teadlased on astunud sammu selles suunas, vabastades esimese täiesti painduva seadme, mis suudab WiFi-signaalidest saadava energia muundada elektriks jõuelektroonikaks.
Mis on rennenn
Rektenn on seade, mis muudab vahelduvvoolu elektromagnetlained alalisvooluks. Teadlased kirjeldasid ajakirjas Nature selle uut liiki. See kasutab paindlikku raadiosagedusantenni, mis lööb kinni elektromagnetlaineid, sealhulgas WiFi-d. See ühendub kahemõõtmelise, mitme aatomi paksuse pooljuhiga. Vahelduvvool voolab pooljuhti, mis muundab selle alalisvooluks, mis võimaldab teil toita elektroonilisi ahelaid või laadida akusid.
Seega püüab seade passiivselt WiFi-signaale DC-ks. See on paindlik ja seda saab valmistada rullides, et katta suur ala.
Uus võimalus asjade Interneti toiteks
"Mis siis, kui loome elektroonilised süsteemid, mis ümbritsevad silla või katavad terve maantee või kontoriseinad ja annavad elektroonilist luure kõigele, mis meid ümbritseb? Kuidas me kogu seda elektroonikat toidame? Küsib kaasautor Thomas Palacios, elektrotehnika ja arvutiteaduse kateedri professor ning mikrosüsteemitehnoloogia laboratooriumide grafeeniseadmete ja 2D-süsteemide keskuse direktor. "Oleme välja mõelnud uue viisi tuleviku elektrooniliste süsteemide toiteks, kogudes WiFi-energiat viisil, mida saab hõlpsasti integreerida suurtele aladele, nii et kõik meie ümbritsevad objektid saavad intelligentsust."
Reklaamvideo:
Kavandatud alaldi paljulubavad varased rakendused hõlmavad paindliku ja kantava elektroonika, meditsiiniseadmete ja IoT andurite toiteallikat. Näiteks paindlikud nutitelefonid on suurte tehnoloogiliste ettevõtete jaoks uus kuum turg. Katseseade genereerib tüüpilise Wi-Fi signaali võimsustasemega (umbes 150 μW) kokku umbes 40 μW võimsust. Sellest piisab lihtsa mobiiltelefoniekraani või toitekiipide valgustamiseks.
Rakendus meditsiinis
Madridi tehnikaülikooli teaduri Jesús Grajali sõnul on arenduse üheks võimalikuks rakenduseks implanteeritavate meditsiiniseadmete andmeedastus. Näiteks pillid, mis kannavad patsiendi tervise kohta andmeid arvutisse edasiseks diagnoosimiseks.
"Nende süsteemide toitmiseks on ohtlik kasutada patareisid, sest kui liitium lekib, sureb patsient," ütleb Grahal. "Palju parem on koguda keskkonnast energiat, et neid väikeseid laboratooriume keha sisse lülitada ja andmeid välistele arvutitele edastada."
Paindlik alaldi
Kõik alaldid toetuvad komponendile, mida nimetatakse "alaldiks" ja mis muundab vahelduvvoolu alalisvooluks. Traditsioonilistes rektaanides on alaldi valmistatud räni- või galliumarseniidist. Need materjalid võivad katta WiFi sagedusi, kuid need on karmid. Ehkki väikeste seadmete valmistamiseks on neid suhteliselt odav kasutada, oleks suurte alade, näiteks hoonete pindade ja seinte katmine ülemäära kallis. Teadlased on pikka aega püüdnud neid probleeme lahendada. Kuid mõned seni teadaolevad paindlikud ristkülikud töötavad madalatel sagedustel ega suuda hõivata ja teisendada gigahertsiseid signaale, mis on enamus mobiiltelefoni- ja WiFi-signaale.
Nende alaldi loomiseks kasutasid teadlased uut kahemõõtmelist materjali, molübdeendisulfiidi (MoS2), mis on 3 aatomipaksuses üks õhemaid pooljuhtseadmeid maailmas. Meeskond kasutas MoS2 ebatavalist käitumist: kokkupuutel teatud kemikaalidega muutuvad materjali aatomid ümber selliselt, et see toimib lülitina, põhjustades faasisiirde pooljuhilt metallmaterjalile. Seda struktuuri tuntakse Schottky dioodina.
"Luues MoS2 2D pooljuht-metallfaasi üleminekul, ehitasime õhukese ülikiire Schottky dioodi, mis minimeerib seeriatakistust ja parasiitide mahtuvust," ütleb projekti autor Xu Zhang.
Parasiitmahtuvus on elektroonikas vältimatu. Mõned materjalid moodustavad väikese elektrilaengu, mis aeglustab vooluahelat. Järelikult tähendab väiksem mahtuvus suuremat alaldi kiirust ja suuremat töösagedust. Schottky dioodi parasiitmahtuvus on suurusjärgus väiksem kui kaasaegsed paindlikud alaldid, nii et see muudab signaali palju kiiremini ja võimaldab teil hõivata ja teisendada kuni 10 GHz.
"Sellel disainil on täiesti paindlik seade, mis on piisavalt kiire, et katta enamus igapäevases elektroonikas kasutatavatest raadiosagedusaladest, sealhulgas Wi-Fi, Bluetooth, kärg-LTE ja palju muud," ütleb Zhang.
Painduva sirgjõu efektiivsus
Kirjeldatud töös pakutakse välja teiste suure jõudlusega painduvate seadmete joonised. Praeguse seadme maksimaalne väljundtõhusus on keskmiselt 40% ja sõltub WiFi võimsusest. Alaldi MoS2 tüüpiline kasutegur on 30%. Võrdluseks võib öelda, et kõvemast ja kallimast räni- või galliumarseniidist valmistatud rennennide efektiivsus ulatub 50–60% -ni.
Arendustiim plaanib nüüd ehitada keerukamaid süsteeme ja parandada tehnoloogia efektiivsust.
Autor: Sergey Prots
