Mata kita disetel hanya pada jalur sempit kemungkinan panjang gelombang radiasi elektromagnetik, pada urutan 390-700 nanometer. Sekiranya anda dapat melihat dunia pada jarak gelombang yang berbeza, anda akan tahu bahawa di kawasan bandar, anda akan diterangi walaupun dalam radiasi inframerah gelap, gelombang mikro dan gelombang radio ada di mana-mana. Sebilangan sinaran elektromagnetik dari persekitaran dipancarkan oleh objek yang menghamburkan elektron mereka di seluruh tempat, dan ada yang membawa isyarat radio dan Wi-Fi yang mendasari sistem komunikasi kita. Semua sinaran ini juga membawa tenaga.
Bagaimana jika kita dapat memanfaatkan tenaga gelombang elektromagnetik?
Penyelidik di Massachusetts Institute of Technology memaparkan kajian yang muncul dalam jurnal Nature yang memperincikan bagaimana mereka mencapai pelaksanaan praktikal tujuan ini. Mereka mengembangkan peranti pertama yang dapat ditekuk sepenuhnya yang dapat menukar tenaga dari isyarat Wi-Fi menjadi elektrik DC yang boleh digunakan.
Mana-mana peranti yang dapat menukar isyarat AC ke arus terus (DC) disebut antena pembetulan. Antena mengambil sinaran elektromagnetik, mengubahnya menjadi arus bolak. Ia kemudian melalui diod, yang mengubahnya menjadi arus terus untuk digunakan dalam litar elektrik.
Rectennas pertama kali diusulkan pada tahun 1960-an dan bahkan digunakan untuk menunjukkan model helikopter bertenaga gelombang mikro pada tahun 1964 oleh penemu William Brown. Pada peringkat ini, futuris sudah mengimpikan penghantaran tenaga tanpa wayar pada jarak jauh dan juga penggunaan rektena untuk mengumpulkan tenaga suria ruang dari satelit dan menghantarnya ke Bumi.
Rektena optik
Video promosi:
Hari ini, teknologi baru untuk bekerja di skala nano memungkinkan banyak perkara baru. Pada tahun 2015, para penyelidik di Institut Teknologi Georgia mengumpulkan rektena optik pertama dari nanotube karbon yang mampu menangani frekuensi tinggi dalam spektrum yang dapat dilihat.
Sejauh ini, rektan optik baru ini mempunyai kecekapan rendah, sekitar 0.1 peratus, dan oleh itu tidak dapat bersaing dengan peningkatan kecekapan panel solar fotovoltaik. Tetapi had teoritis untuk sel solar berasaskan rektena mungkin lebih tinggi daripada had Shockley-Kuisser untuk sel suria, dan dapat mencapai 100% ketika diterangi dengan sinaran frekuensi tertentu. Ini membolehkan penghantaran kuasa tanpa wayar yang cekap.
Bahagian baru peranti, yang dihasilkan oleh MIT, memanfaatkan antena RF fleksibel yang dapat menangkap panjang gelombang yang berkaitan dengan isyarat Wi-Fi dan mengubahnya menjadi arus bolak-balik. Kemudian, bukannya dioda tradisional untuk menukar arus ke DC, peranti baru menggunakan semikonduktor "dua dimensi" hanya setebal beberapa atom, mewujudkan voltan yang dapat digunakan untuk menghidupkan peranti, sensor, alat perubatan, atau elektronik kawasan besar.
Rectennas baru diperbuat daripada bahan dua dimensi (2D) - molibdenum disulfide (MoS2), yang hanya setebal tiga atom. Salah satu sifatnya yang luar biasa adalah pengurangan kapasitansi parasit - kecenderungan bahan dalam litar elektrik untuk bertindak sebagai kapasitor yang menahan sejumlah cas. Dalam elektronik DC, ini dapat menghadkan kelajuan penukar isyarat dan kemampuan peranti untuk bertindak balas terhadap frekuensi tinggi. Rektena molibdenum disulfida baru mempunyai susunan kapasitansi parasit yang lebih rendah daripada yang dikembangkan setakat ini, yang membolehkan peranti menangkap isyarat hingga 10 GHz, termasuk dalam rangkaian peranti Wi-Fi khas.
Sistem seperti ini akan mempunyai masalah dengan bateri yang lebih sedikit: kitaran hidupnya akan lebih lama, alat elektrik akan dicas oleh radiasi ambien dan tidak perlu membuang komponen, seperti halnya dengan bateri.
“Bagaimana jika kita dapat mengembangkan sistem elektronik yang akan mengelilingi jambatan atau yang meliputi seluruh jalan raya, dinding pejabat kita, dan memberikan kecerdasan elektronik kepada semua yang mengelilingi kita? Bagaimana anda akan menghidupkan semua elektronik ini?”Tanya pengarang bersama Thomas Palacios, profesor di Jabatan Kejuruteraan Elektrik dan Sains Komputer di Massachusetts Institute of Technology. "Kami telah menemukan cara baru untuk memperkuat sistem elektronik masa depan."
Penggunaan bahan 2D membolehkan elektronik fleksibel dihasilkan dengan murah, berpotensi membolehkan kita meletakkannya di kawasan yang luas untuk mengumpulkan radiasi. Peranti yang fleksibel dapat digunakan untuk melengkapkan muzium atau permukaan jalan, dan akan jauh lebih murah daripada menggunakan persegi panjang dari semikonduktor silikon tradisional atau gallium arsenide.
Bolehkah saya mengecas telefon saya dari isyarat Wi-Fi?
Malangnya, pilihan ini nampaknya sangat tidak mungkin, walaupun selama bertahun-tahun topik "tenaga bebas" telah menipu orang berulang-ulang kali. Masalahnya terletak pada ketumpatan tenaga isyarat. Kuasa maksimum yang dapat digunakan hotspot Wi-Fi tanpa lesen siaran khusus biasanya 100 miliwatt (mW). 100 mW ini memancar ke semua arah, tersebar di luas permukaan sfera yang berpusat pada AP.
Walaupun telefon bimbit anda mengumpulkan semua kuasa ini dengan kecekapan 100 peratus, masih memerlukan masa beberapa hari untuk mengecas bateri iPhone, dan jejak dan jarak kecil telefon ke hotspot akan sangat membatasi jumlah tenaga yang dapat dikumpulkannya dari isyarat ini. Peranti baru MIT akan dapat menangkap sekitar 40 mikro watt apabila terkena kepadatan Wi-Fi khas 150 mikro watt: tidak cukup untuk menghidupkan iPhone, tetapi cukup untuk paparan sederhana atau sensor tanpa wayar jauh.
Atas sebab ini, kemungkinan besar pengecasan tanpa wayar untuk alat yang lebih besar akan bergantung pada pengecasan aruhan, yang sudah dapat mengaktifkan peranti sejauh satu meter jika tidak ada antara pengecas tanpa wayar dan objek pengecasan.
Walau bagaimanapun, tenaga RF di sekitarnya dapat digunakan untuk menggerakkan jenis peranti tertentu - bagaimana anda fikir radio Soviet berfungsi? Dan Internet of Things yang akan datang pasti akan menggunakan model makanan ini. Yang tinggal hanyalah membuat sensor dengan penggunaan kuasa yang rendah.
Penulis bersama Jesús Grajal dari Universiti Teknikal Madrid melihat kemungkinan penggunaan alat perubatan yang boleh ditanam: pil yang boleh ditelan oleh pesakit akan memindahkan data kesihatan kembali ke komputer untuk diagnosis. "Sebaik-baiknya, kami tidak mahu menggunakan bateri untuk menghidupkan sistem seperti itu, kerana jika mereka melepaskan litium, pesakit boleh mati," kata Grajal. "Lebih baik menuai tenaga dari persekitaran untuk memberi tenaga kepada makmal kecil ini di dalam badan dan mengirimkan data ke komputer luaran."
Kecekapan peranti semasa adalah sekitar 30-40% berbanding 50-60% untuk rektena tradisional. Bersama dengan konsep seperti piezoelectricity (bahan yang menjana elektrik ketika diperas atau diregangkan secara fizikal), elektrik yang dihasilkan oleh bakteria dan haba persekitaran, elektrik "tanpa wayar" mungkin menjadi salah satu sumber kuasa mikroelektronika pada masa akan datang.
Ilya Khel
