Meie silmad on häälestatud ainult elektromagnetkiirguse võimalike lainepikkuste kitsale ribale, suurusjärgus 390–700 nanomeetrit. Kui näeksite maailma erineva lainepikkusega, teaksite, et linnapiirkonnas valgustatakse teid ka pimedas - infrapunakiirgus, mikrolaineahjud ja raadiolained on kõikjal. Osa sellest elektromagnetilisest kiirgusest keskkonnast kiirgavad objektid, mis hajutavad oma elektronid laiali, osa kannavad raadio- ja WiFi-signaale, mis on meie sidesüsteemide aluseks. Kogu see kiirgus kannab ka energiat.
Mis oleks, kui saaksime kasutada elektromagnetlainete energiat?
Massachusettsi tehnoloogiainstituudi teadlased esitasid ajakirjas Nature ilmunud uuringu, milles kirjeldati üksikasjalikult, kuidas nad selle eesmärgi praktilisse elluviimisse jõudsid. Nad töötasid välja esimese täielikult painutatava seadme, mis suudab WiFi-signaalidest saadava energia muundada kasutatavaks alalisvoolu elektriks.
Iga seadet, mis suudab vahelduvvoolu signaale muundada alalisvooluks, nimetatakse alaldi antenniks. Antenn võtab vastu elektromagnetkiirgust, muundades selle vahelduvvooluks. Seejärel läbib see dioodi, mis muundab selle alalisvooluks kasutamiseks elektriskeemides.
Rektennid pakuti esmakordselt välja 1960. aastatel ja neid kasutati isegi leiutaja William Browni mikrolaineajamiga helikopteri mudeli demonstreerimiseks 1964. aastal. Selles etapis unistasid futuristid juba energia traadita edastamisest pikkade vahemaade tagant ja isegi ristkülikute kasutamisest kosmose päikeseenergia kogumiseks satelliitidelt ja selle edastamiseks Maale.
Optiline alaldi
Reklaamvideo:
Tänapäeval võimaldavad nanoskaalas töötamise uued tehnoloogiad palju uut. 2015. aastal panid Georgia tehnikainstituudi teadlased kokku esimese optilise sirmi, mis on võimeline käitlema süsinik nanotorudest nähtavas spektris kõrgeid sagedusi.
Siiani on nende uute optiliste sirgete efektiivsus madal, umbes 0,1 protsenti, ja seetõttu ei saa nad konkureerida fotogalvaaniliste päikesepaneelide suureneva efektiivsusega. Kuid rektennipõhiste päikesepatareide teoreetiline piir on tõenäoliselt kõrgem kui päikesepatareide Shockley-Kuisseri piir ja võib teatud sagedusega kiirgusega valgustades jõuda 100% -ni. See võimaldab tõhusat traadita jõuülekannet.
MITi toodetud seadme uus osa kasutab ära paindlikku RF-antenni, mis suudab hõivata WiFi-signaalidega seotud lainepikkusi ja teisendada need vahelduvvooluks. Seejärel kasutab uus seade selle voolu alalisvooluks muundamiseks tavapärase dioodi asemel "kahemõõtmelist", vaid mõne aatomi paksust pooljuhti, tekitades pinge, mida saab kasutada kantavate seadmete, andurite, meditsiiniseadmete või suurte pindade elektroonika toitmiseks.
Uued rektaanid koosnevad kahemõõtmelistest (2D) materjalidest - molübdeendisulfiidist (MoS2), mille paksus on vaid kolm aatomit. Selle üks tähelepanuväärseid omadusi on parasiitide mahtuvuse vähenemine - elektriskeemides olevate materjalide kalduvus toimida kondensaatoritena, hoides teatud kogust laengut. Alalisvoolu elektroonikas võib see piirata signaalimuundurite kiirust ja seadmete võimet reageerida kõrgetele sagedustele. Uutel molübdeendisulfiidsetel rektaanidel on suurusjärgus madalam parasiitide mahtuvus kui seni välja töötatud, mis võimaldab seadmel jäädvustada kuni 10 GHz signaale, sealhulgas tavaliste WiFi-seadmete vahemikus.
Sellisel süsteemil oleks vähem probleeme patareidega: selle olelustsükkel oleks palju pikem, elektriseadmeid laeks ümbritsev kiirgus ja poleks vaja komponente utiliseerida, nagu juhtub patareidega.
"Mis oleks, kui suudaksime välja töötada elektroonilised süsteemid, mis ümbritseksid silla või mis kataksid tervet maanteed, meie kontori seinu ja annaksid elektroonilist luure kõigele, mis meid ümbritseb? Kuidas kavatsete kogu selle elektroonika toita?”Küsib kaasautor, Thomas Palacios, Massachusettsi tehnoloogiainstituudi elektrotehnika ja arvutiteaduse osakonna professor. "Oleme välja mõelnud uue viisi, kuidas tuleviku elektroonilisi süsteeme toita."
2D-materjalide kasutamine võimaldab odavalt toota paindlikku elektroonikat, mis võimaldab meil paigutada need kiirguse kogumiseks suurtele aladele. Muuseumi või teekatte sisustamiseks võiks kasutada paindlikke seadmeid ja see oleks palju odavam kui traditsiooniliste räni- või galliumarseniidist pooljuhtide ristkülikute kasutamine.
Kas ma saan telefoni laadida WiFi-signaalide kaudu?
Kahjuks tundub see variant väga ebatõenäoline, kuigi aastate jooksul on "tasuta energia" teema inimesi ikka ja jälle petnud. Probleem seisneb signaalide energiatiheduses. Maksimaalne võimsus, mida WiFi-leviala saab kasutada ilma spetsiaalse ringhäälingulitsentsita, on tavaliselt 100 millivatti (mW). See 100 mW kiirgab igas suunas, levides AP-le keskele asuva kera pinnale.
Isegi kui teie mobiiltelefon koguks kogu selle jõu sajaprotsendilise efektiivsusega, kuluks iPhone'i aku laadimiseks ikkagi päevi ning telefoni väike jalajälg ja kaugus leviala piiraks oluliselt nendest signaalidest kogutava energia hulka. MIT-i uus seade suudab lüüa umbes 40 mikrovatti võimsust, kui see puutub kokku tavalise WiFi-tihedusega 150 mikrovatti: iPhone'i toitmiseks ei piisa, kuid piisab lihtsast ekraanist või kaugjuhtimispuldi andurist.
Sel põhjusel on palju tõenäolisem, et suuremate vidinate juhtmeta laadimine tugineb induktsioonlaadimisele, mis on juba võimeline seadmeid toitma kuni meetri kaugusele, kui traadita laadija ja laadimisobjekti vahel pole midagi.
Ümbritsevat raadiosageduslikku energiat saab siiski kasutada teatud tüüpi seadmete toitmiseks - kuidas teie arvates töötasid Nõukogude raadiod? Ja eelseisev asjade internet kasutab neid toidumudeleid kindlasti. Jääb ainult madala energiatarbega andurite loomine.
Kaasautor Madridi tehnikaülikool Jesús Grajal näeb implanteeritavate meditsiiniseadmete võimalikku kasutamist: pill, mille patsient saab alla neelata, kannab terviseandmed diagnoosimiseks tagasi arvutisse. "Ideaalis ei tahaks me selliste süsteemide toitmiseks kasutada patareisid, sest kui nad liitiumist läbi lasevad, võib patsient surra," ütleb Grajal. "Palju parem on koguda keskkonnast energiat, et neid väikeseid laboratooriume keha sisse lülitada ja andmeid välistele arvutitele edastada."
Seadme praegune efektiivsus on umbes 30–40%, võrreldes traditsiooniliste ristkülikute 50–60% -ga. Koos selliste kontseptsioonidega nagu piesoelektrienergia (materjalid, mis toodavad elektrit füüsiliselt kokkusurutuna või venitatuna), bakterite poolt toodetud elekter ja keskkonna soojus, võib "traadita" elektrienergia saada tuleviku mikroelektroonika üheks jõuallikaks.
Ilja Khel
