Neues flexibles Gerät kann WLAN-Signale in Strom umwandeln

• Eine neue Art von Rectenna aus einem dünnen, zweidimensionalen Halbleiter kann WLAN-Signale in Elektrizität umwandeln.
• Forscher konnten 40 Mikrowatt Leistung erzeugen, als sie die Rectenna normalen WLAN-Signalen aussetzten.
• Das ist mehr als genug Leistung, um Siliziumchips anzutreiben oder eine LED zum Leuchten zu bringen.

Die drahtlose Energieübertragung geht auf das Ende des 19. Jahrhunderts zurück, als Nikola Tesla an Methoden zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie arbeitete. Einige Jahre später erfand der italienische Erfinder Guglielmo Marconi das erste vollständige und kommerziell erfolgreiche drahtlose Telegrafiesystem.

Effiziente Radiofrequenz-Energy-Harvester wurden später (in der Mitte des 20. Jahrhunderts) auf starren Substraten wie Silizium etabliert. Es war jedoch sehr schwierig, diese Technologie auf elektronische Systeme auszudehnen, die täglich verwendet werden. Obwohl eine breite Palette flexibler Halbleiter analysiert wurde, um eine wirklich allgegenwärtige Sensorik zu ermöglichen, haben die Wissenschaftler auf diesem Gebiet noch keinen bedeutenden Meilenstein erreicht.

Kürzlich hat ein Forschungsteam des MIT ein erstes vollständig flexibles Gerät entwickelt, das WLAN-Signale in elektrische Energie umwandeln kann, um Elektronik zu betreiben. Es handelt sich um eine neue Art von Rectenna – ein Instrument zur Umwandlung elektromagnetischer Wechselstromwellen in Gleichstrom – das eine flexible Hochfrequenzantenne verwendet, um elektromagnetische Wellen als Wechselstromwellenformen einzufangen.

Diese Antenne wird dann an einem einzigartigen Gerät aus einem 2D-Halbleiter befestigt. Das Gerät wandelt das Wechselstromsignal in Gleichspannung um, die Batterien aufladen und elektronische Schaltkreise versorgen kann.

Was ist dieses einzigartige Gerät?

Herkömmliche Rectennas verwenden entweder Galliumarsenid oder Silizium als Gleichrichter, der das Wechselstromsignal in Gleichstrom umwandelt. Obwohl diese Halbleiter das WiFi-Band abdecken, sind sie starr. Sie zur Herstellung großer Flächen (Wände, Gebäudeoberflächen) zu verwenden, wäre extrem teuer.

Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, diese Probleme zu beheben. Sie haben einige effiziente Rectennas entwickelt, aber sie arbeiten bei niedrigen Frequenzen und können Signale nicht in Gigahertz-Frequenzen umwandeln, wo die meisten WLAN- und Mobiltelefonsignale liegen.

In dieser Studie verwendeten die Forscher ein neuartiges zweidimensionales Material namens Molybdändisulfid, das nur drei Atome dick ist. Wenn Atome dieses Materials mit bestimmten Chemikalien in Kontakt kommen, positionieren sie sich so, dass sie als Schalter wirken. Dies zwingt das Material, seine Phase von einem Halbleiter zu einem Metall zu ändern.

Referenz:Natur | doi:10.1038/s41586-019-0892-1 | MIT

Dies führt zu einer Verbindung eines Halbleiters mit einem Metall, einer sogenannten Schottky-Diode, die gleichzeitig die parasitäre Kapazität und den Serienwiderstand minimiert.

Die parasitäre Kapazität der Schottky-Diode ist viel niedriger als die parasitäre Kapazität vorhandener flexibler Gleichrichter nach dem Stand der Technik. Auf diese Weise kann es drahtlose Signale mit viel schnelleren Raten (bis zu 10 Gigahertz) erfassen und konvertieren und die Hochfrequenzbänder abdecken, die von Mobilfunk LTE, Bluetooth und Wi-Fi verwendet werden.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Ergebnisse und Anwendungen

Die maximale Ausgangseffizienz des Geräts beträgt etwa 40% und variiert je nach Eingang des WiFi-Signals. Um es in den Inhalt zu fassen, haben konventionelle Rectennas aus Galliumarsenid und Silizium einen Wirkungsgrad von etwa 50 bis 60 %. Das Team plant, komplexere Systeme mit höherer Effizienz zu entwickeln.

Zu den frühen Anwendungen dieses neuen Geräts gehören die Stromversorgung von Handheld-Elektronik, medizinischen Instrumenten und Sensoren für das „Internet der Dinge“. In dieser Studie konnten die Forscher 40 Mikrowatt Leistung erzeugen, wenn die Rectenna normalen WLAN-Signalen ausgesetzt war (die normalerweise eine Leistung von 150 Mikrowatt haben).

Lesen Sie:DARPA wird eine Laserlichtquelle verwenden, um kleine Flugzeuge im laufenden Betrieb anzutreiben

Heutzutage entwickeln Wissenschaftler schluckbare Pillen, mit denen Gesundheitsdaten zur Diagnose an Computer zurückgesendet werden können. Die neue Rektenna kann in Zukunft auch zur Stromversorgung solcher implantierbarer medizinischer Geräte verwendet werden.