Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Smartphones, Laptops, Wearables und andere elektronische Geräte ohne Batterien laufen. Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben mit der Veröffentlichung des ersten vollflexiblen Geräts, das die Energie von Wi-Fi-Signalen in Elektrizität in Leistungselektronik umwandeln kann, einen Schritt in diese Richtung getan.
Was ist Rectenna?
Eine Rectenna ist ein Gerät, das elektromagnetische Wechselstromwellen in Gleichstrom umwandelt. Forscher beschrieben eine neue Art davon in der Zeitschrift Nature. Es verwendet eine flexible Hochfrequenzantenne, die elektromagnetische Wellen, einschließlich Wi-Fi, erfasst. Es verbindet sich mit einem zweidimensionalen Halbleiter, der mehrere Atome dick ist. Der Wechselstrom fließt in den Halbleiter, der ihn in Gleichstrom umwandelt, sodass Sie elektronische Schaltkreise mit Strom versorgen oder Batterien laden können.
Somit erfasst das Gerät passiv Wi-Fi-Signale und wandelt sie in Gleichstrom um. Es ist flexibel und kann in Rollen hergestellt werden, um eine große Fläche abzudecken.
Der neue Weg, das Internet der Dinge zu stärken
„Was ist, wenn wir elektronische Systeme erstellen, die sich um eine Brücke wickeln oder eine ganze Autobahn oder Bürowände abdecken und alles, was uns umgibt, elektronisch informieren? Wie versorgen wir all diese Elektronik? Fragt Co-Autor Thomas Palacios, Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik und Direktor des Zentrums für Graphenvorrichtungen und 2D-Systeme in Mikrosystemtechniklabors. „Wir haben einen neuen Weg gefunden, um die elektronischen Systeme der Zukunft mit Strom zu versorgen. Dabei wird Wi-Fi-Energie auf eine Weise gewonnen, die sich problemlos über große Flächen integrieren lässt, sodass alle Objekte um uns herum Informationen erhalten.“
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Vielversprechende frühe Anwendungen für die vorgeschlagene Rectenna umfassen die Stromversorgung flexibler und tragbarer Elektronik, medizinischer Geräte und IoT-Sensoren. Flexible Smartphones zum Beispiel sind ein heißer neuer Markt für große Technologieunternehmen. Das experimentelle Gerät erzeugt etwa 40 μW Leistung, wenn es typischen Wi-Fi-Signalleistungspegeln (etwa 150 μW) ausgesetzt wird. Dies ist mehr als genug, um ein einfaches Handy-Display oder Power-Chips zu beleuchten.
Anwendung in der Medizin
Laut einem Forscher der Technischen Universität Madrid, Jesús Grajal, besteht eine der möglichen Anwendungen der Entwicklung darin, Daten für implantierbare medizinische Geräte zu übertragen. Zum Beispiel Pillen, die Daten über die Gesundheit des Patienten zur späteren Diagnose an einen Computer übertragen.
„Es ist gefährlich, Batterien zur Stromversorgung dieser Systeme zu verwenden, da der Patient stirbt, wenn Lithium austritt“, sagt Grahal. "Es ist viel besser, Energie aus der Umwelt zu gewinnen, um diese kleinen Labors im Körper mit Strom zu versorgen und Daten an externe Computer zu übertragen."
Flexibler Gleichrichter
Alle Gleichrichter basieren auf einer Komponente, die als "Gleichrichter" bekannt ist und Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. In herkömmlichen Rectennas besteht der Gleichrichter aus Silizium oder Galliumarsenid. Diese Materialien können Wi-Fi-Frequenzen abdecken, sind aber robust. Obwohl sie für die Herstellung kleiner Geräte relativ kostengünstig zu verwenden sind, wäre das Abdecken großer Bereiche wie der Oberflächen von Gebäuden und Wänden unerschwinglich teuer. Forscher haben lange versucht, diese Probleme zu lösen. Einige bisher gemeldete flexible Rectennas arbeiten jedoch mit niedrigen Frequenzen und können keine Gigahertz-Signale erfassen und umwandeln, wie es die meisten Handy- und Wi-Fi-Signale sind.
Für die Herstellung ihres Gleichrichters verwendeten die Forscher ein neues zweidimensionales Material, Molybdändisulfid (MoS2), das mit einer Dicke von 3 Atomen eines der dünnsten Halbleiterbauelemente der Welt ist. Das Team nutzte das ungewöhnliche Verhalten von MoS2: Wenn es bestimmten Chemikalien ausgesetzt wird, ordnen sich die Atome des Materials so um, dass es als Schalter fungiert und einen Phasenübergang von einem Halbleiter zu einem metallischen Material bewirkt. Diese Struktur ist als Schottky-Diode bekannt.
„Durch die Erzeugung von MoS2 in einem 2D-Halbleiter-Metall-Phasenübergang haben wir eine dünne, ultraschnelle Schottky-Diode gebaut, die gleichzeitig den Serienwiderstand und die parasitäre Kapazität minimiert“, sagt Projektautor Xu Zhang.
Parasitäre Kapazität ist in der Elektronik unvermeidlich. Einige Materialien bauen eine kleine elektrische Ladung auf, die den Stromkreis verlangsamt. Folglich bedeutet eine geringere Kapazität höhere Gleichrichtergeschwindigkeiten und höhere Betriebsfrequenzen. Die parasitäre Kapazität einer Schottky-Diode ist um eine Größenordnung geringer als bei modernen flexiblen Gleichrichtern, sodass das Signal viel schneller konvertiert wird und Sie bis zu 10 GHz erfassen und konvertieren können.
„Dieses Design verfügt über ein vollständig flexibles Gerät, das schnell genug ist, um die meisten Funkfrequenzbänder abzudecken, die von der täglichen Elektronik verwendet werden, einschließlich Wi-Fi, Bluetooth, Mobilfunk-LTE und mehr“, sagt Zhang.
Wirksamkeit der flexiblen Rectenna
In der beschriebenen Arbeit werden Zeichnungen anderer flexibler Hochleistungsgeräte vorgeschlagen. Die maximale Ausgabeeffizienz des aktuellen Geräts beträgt durchschnittlich 40% und hängt von der WLAN-Leistung ab. Der MoS2-Gleichrichter hat einen typischen Wirkungsgrad von 30%. Als Referenz erreicht der Wirkungsgrad von Rektennen aus dem härteren und teureren Silizium- oder Galliumarsenid 50-60%.
Das Entwicklungsteam plant nun, komplexere Systeme zu bauen und die Effizienz der Technologie zu verbessern.
Autor: Sergey Prots