Представьте себе мир, в котором смартфоны, ноутбуки, носимые устройства и другая электроника работают без батареек. Исследователи из Массачусетского технологического института сделали шаг в этом направлении, выпустив первое полностью гибкое устройство, которое может преобразовывать энергию сигналов Wi-Fi в электричество, необходимое для питания электроники.
Что такое ректенна
Ректенна - это устройство, которое преобразует электромагнитные волны переменного тока в постоянный. Исследователи описали новый ее вид в журнале Nature. В ней используется гибкая радиочастотная антенна, которая захватывает электромагнитные волны, в том числе Wi-Fi. Она подключается к двухмерному полупроводнику толщиной в несколько атомов. Переменный ток поступает в полупроводник, преобразующий его в постоянный, что позволяет питать электронные схемы или заряжать аккумуляторы.
Таким образом, устройство пассивно захватывает и преобразует сигналы Wi-Fi в постоянный ток. Оно гибкое и может изготавливаться в рулонах, позволяя покрыть большую площадь.
Новый способ питания интернет-вещей
«Что если мы создадим электронные системы, которые обернем вокруг моста, или покроем целое шоссе или стены офиса и дадим электронный интеллект всему, что нас окружает? Как мы обеспечим энергией всю эту электронику? - спрашивает соавтор статьи Томас Паласиос, профессор кафедры электротехники и компьютерных наук и директор Центра графеновых устройств и двумерных систем в микросистемных технологических лабораториях. - Мы придумали новый способ питания электронных систем будущего, собирая энергию Wi-Fi таким образом, который легко интегрируется на больших площадях, чтобы интеллект обрели все окружающие нас объекты».
Перспективные ранние приложения для предлагаемой ректенны включают питание гибкой и носимой электроники, медицинских устройств и датчиков интернет-вещей. Гибкие смартфоны, например, являются горячим новым рынком для крупных технологических фирм. Экспериментальное устройство генерирует около 40 мкВт энергии при воздействии типичных уровней мощности сигналов Wi-Fi (около 150 мкВт). Этого более чем достаточно для освещения простого дисплея мобильного телефона или питания чипов.
Применение в медицине
По словам исследователя из Технического университета Мадрида Хесуса Грахала, одно из возможных применений разработки - обеспечение передачи данных имплантируемыми медицинскими устройствами. Например, таблетками, которые будут передавать данные о состоянии здоровья пациента на компьютер для последующей диагностики.
«Для питания этих систем опасно использовать батареи, потому что, если произойдет утечка лития, пациент умрет, - говорит Грахал. - Намного лучше собирать энергию из окружающей среды, чтобы питать эти маленькие лаборатории внутри тела и передавать данные на внешние компьютеры».
Гибкий выпрямитель
Все ректенны полагаются на компонент, известный как «выпрямитель», который преобразует переменный ток в постоянный. В традиционных ректеннах выпрямитель выполняется из кремния или арсенида галлия. Эти материалы могут покрывать частоты Wi-Fi, но они жесткие. И хотя их использование для изготовления небольших устройств является относительно недорогим, покрытие обширных площадей, таких как поверхности зданий и стен, было бы чрезмерно дорогим. Исследователи давно пытаются решить эти проблемы. Но несколько гибких ректенн, о которых сообщалось до сих пор, работают на низких частотах и не могут захватывать и преобразовывать сигналы гигагерцовой частоты, к которым относится большинство сигналов сотовых телефонов и Wi-Fi.
Для создания своего выпрямителя исследователи использовали новый двумерный материал дисульфид молибдена (MoS2), который при толщине в 3 атома является одним из самых тонких полупроводниковых приборов в мире. Команда использовала необычное поведение MoS2: при воздействии определенных химикатов атомы материала перестраиваются таким образом, что он действует как переключатель, вызывая фазовый переход из полупроводника в металлический материал. Эта структура известна как диод Шоттки.
«Создав MoS2 в двумерном полупроводниково-металлическом фазовом переходе, мы построили тонкий сверхбыстрый диод Шоттки, который одновременно минимизирует последовательное сопротивление и паразитную емкость», - говорит автор проекта Сюй Чжан.
Паразитная емкость неизбежна в электронике. Некоторые материалы накапливают небольшой электрический заряд, замедляющий цепь. Следовательно, более низкая емкость означает повышенные скорости выпрямителя и более высокие рабочие частоты. Паразитная емкость диода Шоттки на порядок меньше современных гибких выпрямителей, поэтому он намного быстрее преобразует сигнал и позволяет захватывать и преобразовывать до 10 ГГц.
«Такой дизайн имеет полностью гибкое устройство, достаточно быстрое, чтобы покрыть большинство радиочастотных диапазонов, используемых повседневно электроникой, включая Wi-Fi, Bluetooth, сотовую LTE и многие другие», - говорит Чжан.
Эффективность гибкой ректенны
В описанной работе предложены чертежи других высокопроизводительных гибких устройств. Максимальная выходная эффективность текущего устройства составляет в среднем 40 % и зависит от мощности Wi-Fi. При типичном уровне КПД выпрямителя MoS2 составляет 30 %. Для справки, эффективность ректенн из жесткого и более дорогого арсенида кремния или галлия достигает 50-60 %.
Сейчас команда разработчиков планирует построить более сложные системы и повысить эффективность технологии.
