Immagina un mondo in cui smartphone, laptop, dispositivi indossabili e altri dispositivi elettronici funzionano senza batterie. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno fatto un passo in questa direzione con il rilascio del primo dispositivo completamente flessibile in grado di convertire l'energia dai segnali Wi-Fi in elettricità per alimentare l'elettronica.
Cos'è rectenna
Una rectenna è un dispositivo che converte le onde elettromagnetiche della corrente alternata in corrente continua. I ricercatori hanno descritto una nuova specie nella rivista Nature. Utilizza un'antenna a radiofrequenza flessibile che cattura le onde elettromagnetiche, incluso il Wi-Fi. Si collega a un semiconduttore bidimensionale di diversi atomi di spessore. La corrente alternata fluisce nel semiconduttore, che lo converte in corrente continua, che consente di alimentare circuiti elettronici o caricare batterie.
Pertanto, il dispositivo acquisisce e converte passivamente i segnali Wi-Fi in CC. È flessibile e può essere prodotto in rotoli per coprire una vasta area.
Il nuovo modo per alimentare l'Internet delle cose
“E se creiamo sistemi elettronici che avvolgono un ponte, o coprono un'intera autostrada o le pareti di un ufficio e diamo intelligenza elettronica a tutto ciò che ci circonda? Come alimentiamo tutta questa elettronica? Chiede il coautore Thomas Palacios, professore presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica e direttore del Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories. "Abbiamo escogitato un nuovo modo per alimentare i sistemi elettronici del futuro, raccogliendo l'energia Wi-Fi in un modo che può essere facilmente integrato su grandi aree in modo che tutti gli oggetti intorno a noi acquisiscano intelligenza."
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Le prime applicazioni promettenti per la rectenna proposta includono l'alimentazione di elettronica flessibile e indossabile, dispositivi medici e sensori IoT. Gli smartphone flessibili, ad esempio, sono un nuovo mercato caldo per le grandi aziende tecnologiche. Il dispositivo sperimentale genera circa 40 μW di potenza se esposto a livelli di potenza del segnale Wi-Fi tipici (circa 150 μW). Questo è più che sufficiente per illuminare un semplice display di un telefono cellulare o chip di alimentazione.
Applicazione in medicina
Secondo un ricercatore dell'Università Tecnica di Madrid, Jesús Grajal, una delle possibili applicazioni dello sviluppo è fornire la trasmissione di dati per dispositivi medici impiantabili. Ad esempio, pillole che trasmetteranno i dati sulla salute del paziente a un computer per la successiva diagnosi.
"È pericoloso utilizzare batterie per alimentare questi sistemi, perché se il litio perde, il paziente morirà", dice Grahal. "È molto meglio raccogliere energia dall'ambiente per alimentare questi piccoli laboratori all'interno del corpo e trasmettere i dati a computer esterni".
Raddrizzatore flessibile
Tutte le rettifiche si basano su un componente noto come "raddrizzatore" che converte CA in CC. Nelle rettane tradizionali, il raddrizzatore è realizzato in silicio o arseniuro di gallio. Questi materiali possono coprire le frequenze Wi-Fi, ma sono resistenti. Sebbene siano relativamente poco costosi da utilizzare per realizzare piccoli dispositivi, coprire grandi aree come le superfici di edifici e muri sarebbe proibitivo. I ricercatori hanno cercato a lungo di risolvere questi problemi. Ma alcune rettane flessibili che sono state segnalate finora funzionano a basse frequenze e non possono catturare e convertire segnali gigahertz, come sono la maggior parte dei segnali di telefoni cellulari e Wi-Fi.
Per creare il loro raddrizzatore, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo materiale bidimensionale, il disolfuro di molibdeno (MoS2), che, con uno spessore di 3 atomi, è uno dei dispositivi semiconduttori più sottili al mondo. Il team ha utilizzato il comportamento insolito del MoS2: quando esposti a determinate sostanze chimiche, gli atomi del materiale si riorganizzano in modo tale da agire come un interruttore, provocando una transizione di fase da un semiconduttore a un materiale metallico. Questa struttura è nota come diodo Schottky.
"Creando MoS2 in una transizione di fase metallo-semiconduttore 2D, abbiamo costruito un diodo Schottky sottile e ultraveloce che riduce al minimo contemporaneamente la resistenza in serie e la capacità parassita", afferma l'autore del progetto Xu Zhang.
La capacità parassitaria è inevitabile nell'elettronica. Alcuni materiali accumulano una piccola carica elettrica che rallenta il circuito. Di conseguenza, una capacità inferiore significa velocità del raddrizzatore più elevate e frequenze operative più elevate. La capacità parassita di un diodo Schottky è un ordine di grandezza inferiore rispetto ai moderni raddrizzatori flessibili, quindi converte il segnale molto più velocemente e consente di acquisire e convertire fino a 10 GHz.
"Questo design ha un dispositivo completamente flessibile che è abbastanza veloce da coprire la maggior parte delle bande di radiofrequenze utilizzate dall'elettronica quotidiana, inclusi Wi-Fi, Bluetooth, LTE cellulare e altro", afferma Zhang.
Efficacia del rectenna flessibile
Nel lavoro descritto vengono proposti disegni di altri dispositivi flessibili ad alte prestazioni. L'efficienza di uscita massima del dispositivo corrente è in media del 40% e dipende dalla potenza Wi-Fi. Il raddrizzatore MoS2 ha un'efficienza tipica del 30%. Per riferimento, l'efficienza delle rettane fatte del più duro e costoso arseniuro di silicio o gallio raggiunge il 50-60%.
Ora il team di sviluppo prevede di costruire sistemi più complessi e migliorare l'efficienza della tecnologia.
Autore: Sergey Prots
