Μικρές συσκευές όπως αισθητήρες φωτός ή εξαρτήματα δικτύου θα μπορούσαν σύντομα να αντλούν ενέργεια από σήματα Wi-Fi και Bluetooth στο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας ένα εξελιγμένο νέο στοιχείο που μπορεί να μετατρέψει ακόμη και τα πιο αδύναμα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε ηλεκτρική ενέργεια.
Οι επιστήμονες πίσω από το project, δημιούργησαν μια εξαιρετικά ευαίσθητη rectenna ή μια ανορθωτική κεραία, μια συσκευή που που εκμεταλλεύεται τις ιδιορρυθμίες της κβαντικής φυσικής για να μετατρέψει αποτελεσματικά την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ηλεκτρισμό συνεχούς ρεύματος (DC). Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη νέα προσέγγιση σύλληψης ηλεκτρονίων για να τροφοδοτήσουν ένα εμπορικό θερμόμετρο.
Στην μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 24 Ιουλίου, στο περιοδικό Nature Electronics, οι επιστήμονες προτείνουν πως αυτή η τεχνολογία μπορεί να κλιμακωθεί και να τροφοδοτεί συσκευές και αισθητήρες του Internet of Things (IoT), χρησιμοποιώντας ένα μικρό ποσοστό από τα περίσσια σήματα RF, που χρησιμοποιούμε στα ασύρματα δίκτυα και το Bluetooth.
Οι εν λόγω κεραίες λαμβάνουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα όπως βρίσκονται σε σήματα ραδιοσυχνοτήτων (RF) όπως Wi-Fi και Bluetooth, ή διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, και τα συλλαμβάνουν ως ηλεκτρικό ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) μέσω της κεραίας. Στη συνέχεια, η συσκευή το μετατρέπει σε ηλεκτρισμό συνεχούς ρεύματος μέσω του κυκλώματος ανορθωτή της.
Είναι γνωστό εδώ και καιρό ότι τα rectennas μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή χαμηλών επιπέδων ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ερευνητές το έχουν αποδείξει αυτό με την ασύρματη τροφοδοσία μοντέλων οχημάτων και παρόμοια πειράματα από τη δεκαετία του 1960. Για παράδειγμα, το 1964 ο κατασκευαστής όπλων Raytheon έτρεξε μια τηλεοπτική μετάδοση στην οποία παρουσίασε ένα τηλεκατευθυνόμενο ελικόπτερο που τροφοδοτείται από μικροκύματα.
Όμως, σε αυτές τις περιπτώσεις, η ισχύς μεταδόθηκε απευθείας στη συσκευή με τη μορφή μικροκυμάτων. Τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων του Wi-Fi και του Bluetooth, είναι πολύ πιο αδύναμα και δεν στοχεύουν σε συσκευές, αλλά εκπέμπονται παντού.
Στη μελέτη, οι ερευνητές είπαν ότι τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων περιβάλλοντος μπορεί να εγγραφούν πολύ κάτω από μείον 20 ντεσιμπέλ-μιλιβάτ, μια μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται για την έκφραση της ισχύος του σήματος. Για να το θέσουμε σε μια προοπτική, το μέσο smartphone μεταδίδει σήματα στα 27 dBm ενώ ένας φούρνος μικροκυμάτων λειτουργεί στα 60 dBm.
Οι ομάδα όμως ήθελε να εκμεταλλευτεί τα αδέσποτα και αδύναμα σήματα στο περιβάλλον, που παράγονται από τα δίκτυα Wi-Fi και Bluetooth. Έτσι, στράφηκαν στις σκοτεινές γωνίες της κβαντικής φυσικής.
Γνωστό ως “spintronics”, μελετά το κβαντικό σπιν των ηλεκτρονίων και πώς αυτό σχετίζεται με τα μαγνητικά πεδία. Για την επίδειξή τους, οι ερευνητές στηρίχθηκαν στις ιδιότητες των μαγνητικών διασταυρώσεων σήραγγας (MTJs), ενός συστατικού που αποτελείται από ένα πολύ λεπτό στρώμα μονωτικού υλικού που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο μαγνητικά στρώματα. Τα MTJ χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε μονάδες σκληρού δίσκου και έχουν χρησιμοποιηθεί σε άλλους τύπους υπολογιστικής μνήμης.
Τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων μπορούν να προκαλέσουν μετατοπίσεις στα MTjs, στην οποία το ρεύμα του σήματος επηρεάζει το σπιν των ηλεκτρονίων μέσα στη συσκευή. Αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Starliner: Η NASA βρήκε την πηγή του μυστηριώδους παλμικού ήχου
Η ομάδα δημιούργησε μια σειρά από “‘spin rectifiers” νανοκλίμακας, από MTJ, με διαστάσεις 40×100 τετραγωνικά νανόμετρα, ευαίσθητα στις συχνότητες κοινών ηλεκτρομαγνητικών σημάτων περιβάλλοντος, όπως το Wi-Fi ( Συχνότητες 2,4GHz), 4G (2,3 έως 2,6 GHz) και 5G (3,5 GHz).
Έχοντας αποδείξει την αποτελεσματικότητα του εξαρτήματός τους από μόνο του, οι ερευνητές δημιούργησαν μια συστοιχία SR που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει έναν εμπορικά διαθέσιμο αισθητήρα θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας μόνο μείον 27 dBm ραδιοσυχνοτήτων περιβάλλοντος.
Η ομάδα ελπίζει πως μελλοντικά αυτή η μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί για την μείωση των εκπομπών άνθρακα, μέσω της παραγωγής ενέργειας από τα ασύρματα δίκτυα, που ούτως η άλλως υπάρχουν γύρω μας. Έτσι, θα τροφοδοτεί αισθητήρες και άλλες μικρές αλλά σημαντικές συσκευές.