Чи зможемо ми коли-небудь зарядити телефон від Wi-Fi сигналів?

Наші очі налаштовані тільки на вузьку смугу можливих довжин хвиль електромагнітного випромінювання, порядку 390-700 нанометрів. Якщо б ви могли бачити світ на різних довжинах хвиль, ви б знали, що в міській зоні ви висвітлені навіть у темряві — всюди інфрачервоне випромінювання, мікрохвилі і радіохвилі. Частина цього електромагнітного випромінювання навколишнього середовища випускається об'єктами, які розкидають всюди свої електрони, і частина переносить радіосигнали і сигнали , які лежать в основі наших систем зв'язку. Все це випромінювання також переносить енергію.

, якби ми могли використовувати енергію електромагнітних хвиль?

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту представили дослідження, яке з'явилося в журналі Nature, де детально описали, як приступили до практичної реалізації цієї мети. Вони розробили першу повністю изгибаемое пристрій, який може перетворювати енергію з сигналів Wi-Fi у придатний для використання електрика постійного струму.

Будь-який пристрій, який може перетворювати сигнали змінного струму (AC) в постійний струм (DC), називається ректенной: випрямляє антеною (rectifying antenna). Антена вловлює електромагнітне випромінювання, перетворюючи його в змінний струм. Потім він проходить через діод, який перетворить його в постійний струм для використання в електричних ланцюгах.

Вперше ректенны були запропоновані в 1960-х роках і навіть використовувалися для демонстрації моделі вертольота, який приводиться в дію мікрохвилями, в 1964 році винахідником Вільямом Брауном. На цьому етапі футуристи вже мріяли про бездротової передачі енергії на великі відстані і навіть використання ректенн для збору космічної сонячної енергії з супутників і передачі на Землю.

Оптична ректенна

Сьогодні нові технології роботи в наномасштабах дозволяють багато нового. У 2015 році дослідники з Технологічного інституту Джорджії зібрали першу оптичну ректенну, здатну справлятися з високими частотами у видимому спектрі, з вуглецевих нанотрубок.

Поки що ці нові оптичні ректенны мають мають низьку ефективність, близько 0,1 відсотка, і тому не можуть конкурувати зі зростаючою ефективністю фотоелектричних сонячних панелей. Але теоретичний межа для сонячних батарей на основі ректенн, ймовірно, вище, ніж межа Шоклі-Кьюссера для сонячних елементів, і може досягати 100% при освітленні випромінюванням певної частоти. Це уможливлює ефективну бездротову передачу енергії.

Нова частина пристрою, виготовленого MIT, використовує переваги гнучкої випромінювання антени, яка може захоплювати довжини хвиль, що асоціюються з сигналами Wi-Fi, і перетворювати їх на змінний струм. Потім, замість традиційного діода для перетворення струму в постійний, новий пристрій використовує «двовимірний» напівпровідник, товщиною всього в декілька атомів, створюючи напруження, яке можна використовувати для живлення переносних пристроїв, датчиків, медичних пристроїв або електроніки великої площі.

Нові ректенны складаються з таких «двовимірних» (2D) матеріалів — дисульфіду молібдену (MoS2), який всього за три атома товщиною. Одним з чудових властивостей є зниження паразитної ємності — тенденція матеріалів в електричних ланцюгах діяти в ролі конденсаторів, утримують певну кількість заряду. В електроніці постійного струму це може обмежувати швидкість перетворювачів сигналів і здатність пристроїв реагувати на високі частоти. Нові ректенны з дисульфіду молібдену мають паразитне ємність на порядок нижче тих, які були розроблені до теперішнього часу, що дозволяє пристрою захоплювати сигнали до 10 ГГц, в тому числі в діапазоні типових Wi-Fi пристроїв.

У такої системи було б менше проблем, пов'язаних з батареями: її життєвий цикл був би набагато довше, електричні пристрої заряджалися від навколишнього випромінювання і не було б необхідності утилізувати компоненти, як у випадку з батареями.

«Що, якщо б ми могли розробити електронні системи, які обернем навколо моста або якими накриємо цілу магістраль, стіни нашого офісу, та дамо електронний інтелект всього, що нас оточує? Як ви будете забезпечувати енергією всю цю електроніку?», задається питанням співавтор роботи Томас Паласіос, професор кафедри електротехніки та комп'ютерних наук у Массачусетському технологічному інституті. «Ми придумали новий спосіб живлення електронних систем майбутнього».

Використання 2D-матеріалів дозволяє дешево виробляти гнучку електроніку, що потенційно дасть нам змогу розміщувати її на великих площах для збору випромінювання. Гнучкими пристроями можна було б оснастити музей або дорожню поверхню, і це було б набагато дешевше, ніж використовувати ректенны з традиційних кремнієвих або напівпровідників з арсеніду галію.

чи Можна зарядити телефон від Wi-Fi сигналів?

На жаль, цей варіант здається вкрай малоймовірним, хоча протягом багатьох років тема «вільної енергії» дурачила людей знову і знову. Проблема полягає в енергетичній щільності сигналів. Максимальна потужність, яку може використовувати точка доступу Wi-Fi без спеціально ліцензії на мовлення, як правило, становить 100 мілліватт (мВт). Ці 100 мВт випромінюються у всіх напрямках, поширюючись по площі поверхні сфери, у центрі якої — точка доступу.

Навіть якщо б ваш мобільний телефон збирав всю цю потужність зі 100-відсотковоюефективністю, для зарядки батареї iPhone все одно були б потрібні дні, а невелика площа телефону і його відстань до точки доступу серйозно обмежать кількість енергії, яку він міг би зібрати з цих сигналів. Новий пристрій MIT зможе захоплювати близько 40 мікроват енергії при впливі типовою щільності Wi-Fi в 150 мікроват: цього недостатньо для харчування iPhone, проте достатньо для простого дисплея або віддаленого датчика.

З цієї причини набагато більш імовірно, що бездротова зарядка для більш великих гаджетів буде спиратися на індукційну зарядку, яка вже в стані живити пристрої на відстані до метра, якщо між бездротовим зарядним пристроєм і об'єктом зарядки немає нічого.

Тим не менш, навколишнє радіочастотна енергія може використовуватися для живлення певних типів пристроїв — як, ви думаєте, працювали радянські радіоприймачі? І прийдешній «інтернет речей» однозначно буде використовувати ці моделі харчування. Залишилося тільки створити датчики з низьким енергоспоживанням.

Співавтор роботи Хесус Гражал з Технічного університету Мадрида бачить потенційне застосування у імплантованих медичних пристроях: таблетка, яку пацієнт може проковтнути, передасть дані про здоров'я назад на комп'ютер для діагностики. «В ідеалі не хотілося б використовувати батареї для живлення таких систем, тому що, якщо вони будуть пропускати літій, пацієнт може померти», говорить Гражал. «Набагато краще збирати енергію з навколишнього середовища, щоб живити ці маленькі лабораторії всередині тіла і передавати дані на зовнішні комп'ютери».

Поточна ефективність роботи пристрою становить близько 30-40% порівняно з 50-60% для традиційних ректенн. Поряд з такими поняттями, як пьезоэлектричество (матеріали, які генерують електроенергію при фізичному стиску або розтягу), електрика, що генерується бактеріями і теплом навколишнього середовища, «бездротове» електрика цілком може стати одним з джерел живлення для мікроелектроніки майбутнього.

Сподіваюся, ви не засмутилися тим, що даний метод для зарядки телефонів не підходить? Розкажіть .