I nostri occhi sono sintonizzati solo su una banda ristretta di possibili lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica, dell'ordine di 390-700 nanometri. Se potessi vedere il mondo a diverse lunghezze d'onda, sapresti che in un'area urbana sei illuminato anche al buio: i raggi infrarossi, le microonde e le onde radio sono ovunque. Alcune di queste radiazioni elettromagnetiche dall'ambiente vengono emesse da oggetti che disperdono i loro elettroni ovunque e alcune trasportano i segnali radio e Wi-Fi che sono alla base dei nostri sistemi di comunicazione. Tutta questa radiazione trasporta anche energia.
E se potessimo sfruttare l'energia delle onde elettromagnetiche?
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno presentato uno studio apparso sulla rivista Nature spiegando in dettaglio come sono arrivati all'attuazione pratica di questo obiettivo. Hanno sviluppato il primo dispositivo completamente pieghevole in grado di convertire l'energia dai segnali Wi-Fi in elettricità CC utilizzabile.
Qualsiasi dispositivo in grado di convertire i segnali CA in corrente continua (CC) è chiamato antenna raddrizzante. L'antenna rileva la radiazione elettromagnetica, convertendola in corrente alternata. Quindi passa attraverso un diodo, che lo converte in corrente continua per l'uso nei circuiti elettrici.
Le rettane furono proposte per la prima volta negli anni '60 e furono persino utilizzate per dimostrare un modello di elicottero alimentato a microonde nel 1964 dall'inventore William Brown. In questa fase, i futuristi già sognavano la trasmissione wireless di energia su lunghe distanze e persino l'uso di rectenne per raccogliere l'energia solare spaziale dai satelliti e trasmetterla alla Terra.
Rectenna ottica
Video promozionale:
Oggi, le nuove tecnologie per lavorare su scala nanometrica consentono molte cose nuove. Nel 2015, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno assemblato la prima rectenna ottica in grado di gestire le alte frequenze nello spettro visibile dai nanotubi di carbonio.
Finora, queste nuove rettifiche ottiche hanno basse efficienze, intorno allo 0,1 percento, e quindi non possono competere con la crescente efficienza dei pannelli solari fotovoltaici. Ma il limite teorico per le celle solari basate su rettangoli è probabilmente superiore al limite di Shockley-Kuisser per le celle solari e può raggiungere il 100% se illuminate con radiazioni di una certa frequenza. Ciò consente una trasmissione di potenza wireless efficiente.
La nuova parte del dispositivo, prodotta dal MIT, sfrutta un'antenna RF flessibile in grado di catturare le lunghezze d'onda associate ai segnali Wi-Fi e convertirle in corrente alternata. Quindi, invece di un diodo tradizionale per convertire quella corrente in CC, il nuovo dispositivo utilizza un semiconduttore "bidimensionale" dello spessore di pochi atomi, creando una tensione che può essere utilizzata per alimentare dispositivi indossabili, sensori, dispositivi medici o elettronica di grandi dimensioni.
Le nuove rettane sono composte da materiali bidimensionali (2D): bisolfuro di molibdeno (MoS2), che ha uno spessore di soli tre atomi. Una delle sue notevoli proprietà è la riduzione della capacità parassita - la tendenza dei materiali nei circuiti elettrici ad agire come condensatori, trattenendo una certa quantità di carica. Nell'elettronica CC, questo può limitare la velocità dei convertitori di segnale e la capacità dei dispositivi di rispondere alle alte frequenze. Le nuove rettane al disolfuro di molibdeno hanno una capacità parassita inferiore di un ordine di grandezza rispetto a quelle sviluppate finora, che consente al dispositivo di acquisire segnali fino a 10 GHz, anche nella gamma dei tipici dispositivi Wi-Fi.
Un tale sistema avrebbe meno problemi con le batterie: il suo ciclo di vita sarebbe molto più lungo, i dispositivi elettrici verrebbero caricati dalle radiazioni ambientali e non ci sarebbe bisogno di smaltire i componenti, come nel caso delle batterie.
“E se potessimo sviluppare sistemi elettronici che avvolgiamo un ponte o che coprano un'intera autostrada, i muri del nostro ufficio, e diamo intelligenza elettronica a tutto ciò che ci circonda? Come farai ad alimentare tutta questa elettronica?”Chiede il coautore Thomas Palacios, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso il Massachusetts Institute of Technology. "Abbiamo escogitato un nuovo modo per alimentare i sistemi elettronici del futuro".
L'uso di materiali 2D consente di produrre a basso costo elettronica flessibile, potenzialmente consentendoci di posizionarli su ampie aree per raccogliere le radiazioni. Dispositivi flessibili potrebbero essere utilizzati per equipaggiare un museo o un manto stradale e sarebbe molto più economico rispetto all'utilizzo di rettane dai semiconduttori tradizionali di silicio o arseniuro di gallio.
Posso caricare il mio telefono dai segnali Wi-Fi?
Sfortunatamente, questa opzione sembra altamente improbabile, anche se nel corso degli anni il tema della "energia libera" ha ingannato le persone più e più volte. Il problema sta nella densità energetica dei segnali. La potenza massima che un hotspot Wi-Fi può utilizzare senza una licenza di trasmissione dedicata è in genere di 100 milliwatt (mW). Questo 100 mW irradia in tutte le direzioni, diffondendosi sulla superficie di una sfera centrata sull'AP.
Anche se il tuo telefono cellulare raccogliesse tutta questa potenza con un'efficienza del 100%, ci vorrebbero comunque giorni per caricare la batteria dell'iPhone e l'ingombro ridotto del telefono e la distanza dall'hotspot limiterebbero fortemente la quantità di energia che potrebbe raccogliere da questi segnali. Il nuovo dispositivo del MIT sarà in grado di acquisire circa 40 microwatt di potenza se esposto a una densità Wi-Fi tipica di 150 microwatt: non abbastanza per alimentare un iPhone, ma sufficiente per un semplice display o un sensore wireless remoto.
Per questo motivo, è molto più probabile che la ricarica wireless per gadget più grandi faccia affidamento sulla ricarica a induzione, che è già in grado di alimentare dispositivi fino a un metro di distanza se non c'è nulla tra il caricabatterie wireless e l'oggetto da caricare.
Tuttavia, l'energia RF circostante può essere utilizzata per alimentare alcuni tipi di dispositivi: come pensi che funzionassero le radio sovietiche? E l'imminente Internet of Things utilizzerà sicuramente questi modelli alimentari. Resta solo da creare sensori a basso consumo energetico.
Il coautore Jesús Grajal dell'Università Tecnica di Madrid vede un potenziale utilizzo nei dispositivi medici impiantabili: una pillola che un paziente può ingoiare trasferirà i dati sanitari a un computer per la diagnosi. "Idealmente, non vorremmo utilizzare batterie per alimentare tali sistemi, perché se lasciano passare il litio, il paziente potrebbe morire", dice Grajal. "È molto meglio raccogliere energia dall'ambiente per alimentare questi piccoli laboratori all'interno del corpo e trasmettere i dati a computer esterni".
L'attuale efficienza del dispositivo è di circa il 30-40% rispetto al 50-60% delle rettane tradizionali. Insieme a concetti come la piezoelettricità (materiali che generano elettricità quando schiacciati o allungati fisicamente), l'elettricità generata dai batteri e il calore dell'ambiente, l'elettricità "wireless" potrebbe diventare una delle fonti di energia per la microelettronica del futuro.
Ilya Khel
