Unsere Augen sind nur auf ein schmales Band möglicher Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung in der Größenordnung von 390-700 Nanometern eingestellt. Wenn Sie die Welt bei verschiedenen Wellenlängen sehen könnten, würden Sie wissen, dass Sie in einem städtischen Gebiet auch im Dunkeln beleuchtet sind - Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen sind überall. Ein Teil dieser elektromagnetischen Strahlung aus der Umgebung wird von Objekten emittiert, die ihre Elektronen überall streuen, und ein Teil überträgt die Funk- und Wi-Fi-Signale, die unseren Kommunikationssystemen zugrunde liegen. All diese Strahlung trägt auch Energie.
Was wäre, wenn wir die Energie elektromagnetischer Wellen nutzen könnten?
Forscher am Massachusetts Institute of Technology präsentierten eine Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde und ausführlich beschreibt, wie sie zur praktischen Umsetzung dieses Ziels gekommen sind. Sie entwickelten das erste vollständig biegsame Gerät, das Energie aus Wi-Fi-Signalen in nutzbaren Gleichstrom umwandeln kann.
Jedes Gerät, das Wechselstromsignale in Gleichstrom umwandeln kann, wird als Gleichrichterantenne bezeichnet. Die Antenne nimmt elektromagnetische Strahlung auf und wandelt sie in Wechselstrom um. Es passiert dann eine Diode, die es zur Verwendung in elektrischen Schaltkreisen in Gleichstrom umwandelt.
Rectennas wurden erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagen und 1964 sogar vom Erfinder William Brown zur Demonstration eines mikrowellenbetriebenen Hubschraubermodells verwendet. Zu diesem Zeitpunkt träumten die Futuristen bereits von einer drahtlosen Energieübertragung über große Entfernungen und sogar von der Verwendung von Rectennas, um Weltraum-Sonnenenergie von Satelliten zu sammeln und auf die Erde zu übertragen.
Optische Rectenna
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Neue Technologien für die Arbeit im Nanobereich ermöglichen heute viele neue Dinge. 2015 stellten Forscher am Georgia Institute of Technology die erste optische Rectenna zusammen, die hohe Frequenzen im sichtbaren Spektrum von Kohlenstoffnanoröhren verarbeiten kann.
Bisher haben diese neuen optischen Rechtecke einen geringen Wirkungsgrad von rund 0,1 Prozent und können daher nicht mit dem steigenden Wirkungsgrad von Photovoltaik-Solarmodulen mithalten. Die theoretische Grenze für Solarzellen auf Rectenna-Basis ist jedoch wahrscheinlich höher als die Shockley-Kuisser-Grenze für Solarzellen und kann bei Beleuchtung mit Strahlung einer bestimmten Frequenz 100% erreichen. Dies ermöglicht eine effiziente drahtlose Energieübertragung.
Der neue Teil des vom MIT hergestellten Geräts nutzt eine flexible HF-Antenne, die mit Wi-Fi-Signalen verbundene Wellenlängen erfassen und in Wechselstrom umwandeln kann. Anstelle einer herkömmlichen Diode zur Umwandlung dieses Stroms in Gleichstrom verwendet das neue Gerät einen "zweidimensionalen" Halbleiter mit nur wenigen Atomen Dicke, wodurch eine Spannung erzeugt wird, mit der tragbare Geräte, Sensoren, medizinische Geräte oder großflächige Elektronik betrieben werden können.
Die neuen Rectennas bestehen aus zweidimensionalen (2D) Materialien - Molybdändisulfid (MoS2), das nur drei Atome dick ist. Eine seiner bemerkenswerten Eigenschaften ist die Verringerung der parasitären Kapazität - die Tendenz von Materialien in elektrischen Schaltkreisen, als Kondensatoren zu wirken, die eine bestimmte Ladungsmenge halten. In der Gleichstromelektronik kann dies die Geschwindigkeit von Signalwandlern und die Fähigkeit von Geräten, auf hohe Frequenzen zu reagieren, begrenzen. Die neuen Molybdändisulfid-Rectennas haben eine um eine Größenordnung geringere parasitäre Kapazität als die bisher entwickelten, wodurch das Gerät Signale bis zu 10 GHz erfassen kann, auch im Bereich typischer Wi-Fi-Geräte.
Ein solches System hätte weniger Probleme mit Batterien: Sein Lebenszyklus wäre viel länger, elektrische Geräte würden durch Umgebungsstrahlung aufgeladen und es müssten keine Komponenten entsorgt werden, wie dies bei Batterien der Fall ist.
„Was wäre, wenn wir elektronische Systeme entwickeln könnten, die sich um eine Brücke wickeln oder eine ganze Autobahn, die Wände unseres Büros, abdecken und alles, was uns umgibt, mit elektronischer Intelligenz versorgen würden? Wie werden Sie all diese Elektronik mit Strom versorgen? “, Fragt Co-Autor Thomas Palacios, Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik am Massachusetts Institute of Technology. "Wir haben einen neuen Weg gefunden, um die elektronischen Systeme der Zukunft mit Strom zu versorgen."
Durch die Verwendung von 2D-Materialien kann flexible Elektronik kostengünstig hergestellt werden, sodass wir sie möglicherweise großflächig platzieren können, um Strahlung zu sammeln. Flexible Geräte könnten zur Ausstattung eines Museums oder einer Straßenoberfläche verwendet werden, und es wäre viel billiger als die Verwendung von Rectennas aus herkömmlichen Silizium- oder Galliumarsenid-Halbleitern.
Kann ich mein Telefon über WLAN-Signale aufladen?
Leider scheint diese Option höchst unwahrscheinlich, obwohl das Thema "freie Energie" die Menschen im Laufe der Jahre immer wieder getäuscht hat. Das Problem liegt in der Energiedichte der Signale. Die maximale Leistung, die ein Wi-Fi-Hotspot ohne dedizierte Broadcast-Lizenz verwenden kann, beträgt normalerweise 100 Milliwatt (mW). Diese 100 mW strahlen in alle Richtungen und breiten sich über die Oberfläche einer auf dem AP zentrierten Kugel aus.
Selbst wenn Ihr Mobiltelefon all diese Energie mit 100-prozentiger Effizienz sammelt, würde das Aufladen des iPhone-Akkus noch Tage dauern, und der geringe Platzbedarf und die Entfernung zum Hotspot des Telefons würden die Energiemenge, die es aus diesen Signalen sammeln könnte, stark einschränken. Das neue Gerät des MIT kann bei einer typischen Wi-Fi-Dichte von 150 Mikrowatt etwa 40 Mikrowatt Leistung erfassen: nicht genug, um ein iPhone mit Strom zu versorgen, aber genug für ein einfaches Display oder einen drahtlosen Fernsensor.
Aus diesem Grund ist es viel wahrscheinlicher, dass das kabellose Laden für größere Geräte auf Induktionsladung beruht, mit der Geräte bereits bis zu einem Meter entfernt mit Strom versorgt werden können, wenn sich zwischen dem kabellosen Ladegerät und dem Ladeobjekt nichts befindet.
Die umgebende HF-Energie kann jedoch zur Stromversorgung bestimmter Gerätetypen verwendet werden. Wie haben Ihrer Meinung nach sowjetische Funkgeräte funktioniert? Und das kommende "Internet der Dinge" wird definitiv diese Lebensmittelmodelle verwenden. Alles, was bleibt, ist die Schaffung von Sensoren mit geringem Stromverbrauch.
Der Co-Autor Jesús Grajal von der Technischen Universität Madrid sieht eine mögliche Verwendung in implantierbaren medizinischen Geräten: Eine Pille, die ein Patient schlucken kann, überträgt Gesundheitsdaten zur Diagnose zurück an einen Computer. „Idealerweise möchten wir solche Systeme nicht mit Batterien betreiben, denn wenn sie Lithium durchlassen, kann der Patient sterben“, sagt Grajal. "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."
Der aktuelle Gerätewirkungsgrad liegt bei 30-40% im Vergleich zu 50-60% bei herkömmlichen Rectennas. Neben Konzepten wie Piezoelektrizität (Materialien, die beim physischen Zusammendrücken oder Dehnen Elektrizität erzeugen), von Bakterien erzeugter Elektrizität und der Wärme der Umwelt kann "drahtlose" Elektrizität durchaus zu einer der Energiequellen für die Mikroelektronik der Zukunft werden.
Ilya Khel
