Mūsu acis ir noregulētas tikai šaurā elektromagnētiskā starojuma iespējamo viļņu garuma joslā, apmēram 390–700 nanometri. Ja jūs varētu redzēt pasauli dažādos viļņu garumos, jūs zināt, ka pilsētas teritorijā jūs apgaismojat pat tumsā - visur ir infrasarkanais starojums, mikroviļņu un radioviļņi. Daļu no šī elektromagnētiskā starojuma no vides izstaro objekti, kas izkliedē savus elektronus visā vietā, un daži pārnēsā radio un Wi-Fi signālus, kas ir mūsu sakaru sistēmu pamatā. Viss šis starojums nes arī enerģiju.
Ko darīt, ja mēs varētu izmantot elektromagnētisko viļņu enerģiju?
Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta pētnieki iepazīstināja ar pētījumu, kas parādījās žurnālā Nature, kurā sīki aprakstīts, kā viņi nonāca līdz šī mērķa praktiskai īstenošanai. Viņi izstrādāja pirmo pilnībā saliekamo ierīci, kas Wi-Fi signālu enerģiju var pārveidot par izmantojamu līdzstrāvas elektrību.
Jebkuru ierīci, kas var pārveidot maiņstrāvas signālus par līdzstrāvu (DC), sauc par taisngriešanas antenu. Antena uztver elektromagnētisko starojumu, pārveidojot to maiņstrāvā. Tad tas iziet cauri diodei, kas to pārveido par līdzstrāvu izmantošanai elektriskajās ķēdēs.
Taisnās zarnas pirmo reizi tika piedāvātas pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados, un tās pat izmantoja, lai 1964. gadā demonstrētu izgudrotāja Viljama Brauna ar mikroviļņiem darbināmu helikopteru modeli. Šajā posmā futūristi jau sapņoja par enerģijas bezvadu pārraidi lielos attālumos un pat taisnstūru izmantošanu, lai savāktu saules enerģiju no pavadoņiem un pārraidītu to uz Zemi.
Optiskā taisnstūra
Reklāmas video:
Mūsdienās jaunās tehnoloģijas darbam nanoskaļās ļauj daudz jauna. Džordžijas Tehnoloģiju institūta pētnieki 2015. gadā no oglekļa nanocaurulītēm samontēja pirmo optisko taisnstūri, kas spēj apstrādāt augstas frekvences redzamajā spektrā.
Pagaidām šīm jaunajām optiskajām taisnstūriem ir zema efektivitāte, aptuveni 0,1 procenti, un tāpēc tās nevar konkurēt ar fotoelementu saules paneļu pieaugošo efektivitāti. Bet teorētiskā robeža taisnstūra bāzes saules baterijām, visticamāk, ir augstāka nekā Šoklija-Kuisera saules bateriju robeža, un, apgaismojot ar noteiktas frekvences starojumu, tā var sasniegt 100%. Tas nodrošina efektīvu bezvadu enerģijas pārraidi.
Ierīces jaunā daļa, ko ražo MIT, izmanto elastīgas RF antenas priekšrocības, kas var uztvert ar Wi-Fi signāliem saistītos viļņu garumus un pārveidot tos maiņstrāvā. Tad tradicionālās diodes vietā, lai pārveidotu šo strāvu līdzstrāvā, jaunā ierīce izmanto "divdimensiju" pusvadītāju, kas ir tikai dažu atomu biezums, radot spriegumu, ko var izmantot valkājamu ierīču, sensoru, medicīnas ierīču vai liela laukuma elektronikas darbināšanai.
Jaunās taisnās zarnas sastāv no divdimensiju (2D) materiāliem - molibdēna disulfīda (MoS2), kura biezums ir tikai trīs. Viena no tās ievērojamajām īpašībām ir parazitārās kapacitātes samazināšanās - elektrisko ķēžu materiālu tieksme darboties kā kondensatoriem, turot noteiktu daudzumu lādiņa. Līdzstrāvas elektronikā tas var ierobežot signālu pārveidotāju ātrumu un ierīču spēju reaģēt uz augstām frekvencēm. Jaunajām molibdēna disulfīda taisnās zarnas parazītiskajai kapacitātei ir par mazāku par līdz šim izstrādāto, kas ļauj ierīcei uztvert signālus līdz 10 GHz, ieskaitot tipisko Wi-Fi ierīču diapazonu.
Šādai sistēmai būtu mazāk problēmu ar akumulatoriem: tās dzīves cikls būtu daudz ilgāks, elektriskās ierīces uzlādētu apkārtējais starojums un nebūtu nepieciešams izmest sastāvdaļas, kā tas ir bateriju gadījumā.
“Kā būtu, ja mēs varētu attīstīt elektroniskas sistēmas, kas apņemtu tiltu vai aptvertu visu šoseju, mūsu biroja sienas un sniegtu elektronisko izlūkošanas informāciju visam, kas mūs ieskauj? Kā jūs gatavojaties darbināt visu šo elektroniku?”Jautā līdzautors Tomass Palasioss, Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta Elektrotehnikas un datorzinātņu katedras profesors. "Mēs esam izdomājuši jaunu veidu, kā darbināt nākotnes elektroniskās sistēmas."
2D materiālu izmantošana ļauj lēti izgatavot elastīgu elektroniku, potenciāli ļaujot tos izvietot lielās platībās, lai savāktu radiāciju. Muzeja vai ceļa seguma ierīkošanai varētu izmantot elastīgas ierīces, un tas būtu daudz lētāk, nekā izmantojot taisnstūrus no tradicionālajiem silīcija vai gallija arsenīda pusvadītājiem.
Vai varu uzlādēt tālruni no Wi-Fi signāliem?
Diemžēl šī iespēja šķiet ļoti maz ticama, lai gan gadu gaitā "brīvās enerģijas" tēma ir atkal un atkal mānījusi cilvēkus. Problēma slēpjas signālu enerģijas blīvumā. Maksimālā jauda, ko Wi-Fi tīklājs var izmantot bez īpašas apraides licences, parasti ir 100 milivati (mW). Šie 100 mW izstaro visos virzienos, izplatoties pa AP centrētas sfēras virsmas laukumu.
Pat ja jūsu mobilais tālrunis visu šo enerģiju savāktu ar simtprocentīgu efektivitāti, iPhone akumulatora uzlāde joprojām prasīs vairākas dienas, un tālruņa mazais nospiedums un attālums līdz karstajam punktam stipri ierobežotu enerģijas daudzumu, ko tas varētu savākt no šiem signāliem. MIT jaunā ierīce spēs uztvert aptuveni 40 mikrovatus jaudas, pakļaujoties tipiskam 150 mikrovatu Wi-Fi blīvumam: nepietiek iPhone darbināšanai, bet pietiek vienkāršam displejam vai tālvadības bezvadu sensoram.
Šī iemesla dēļ ir daudz ticamāk, ka bezvadu uzlāde lielākiem sīkrīkiem balstīsies uz indukcijas uzlādi, kas jau tagad spēj darbināt ierīces līdz metram, ja starp bezvadu lādētāju un lādēšanas objektu nav nekā.
Tomēr apkārtējo RF enerģiju var izmantot, lai darbinātu noteikta veida ierīces - kā, jūsuprāt, padomju radio darbojās? Un gaidāmajā lietu internetā noteikti tiks izmantoti šie pārtikas modeļi. Atliek tikai izveidot sensorus ar mazu enerģijas patēriņu.
Līdzautors Jesús Grajal no Madrides Tehniskās universitātes redz potenciālu izmantošanu implantējamās medicīnas ierīcēs: tablete, kuru pacients var norīt, veselības datus pārsūtīs atpakaļ uz datoru diagnostikai. "Ideālā gadījumā mēs negribētu izmantot baterijas, lai darbinātu šādas sistēmas, jo, ja tās izlaiž cauri litiju, pacients varētu nomirt," saka Grajals. "Daudz labāk ir iegūt enerģiju no vides, lai darbinātu šīs mazās laboratorijas ķermeņa iekšienē un pārsūtītu datus uz ārējiem datoriem."
Pašreizējā ierīces efektivitāte ir aptuveni 30-40% salīdzinājumā ar 50-60% tradicionālajām taisnstūrīm. Kopā ar tādiem jēdzieniem kā pjezoelektrība (materiāli, kas ražo elektrību, fiziski saspiežot vai izstiepjot), baktēriju radītā elektrība un vides siltums, "bezvadu" elektrība var kļūt par vienu no nākotnes mikroelektronikas enerģijas avotiem.
Iļja Khels