Flexible Rectenna wandelt WiFi-Signale in Strom für kleine Geräte um

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

Hintergrund: Drahtlose Energieübertragung

Drahtlose Energieübertragung reicht bis ins späte 19. Jahrhundert zurück, als Nikola Tesla an Methoden zur Übertragung elektrischer Energie ohne Kabel arbeitete. Einige Jahre später erfand der italienische Erfinder Guglielmo Marconi das erste vollständige, kommerziell erfolgreiche drahtlose Telegrafiesystem.

Effiziente Hochfrequenz-Energieernter wurden später (Mitte des 20. Jahrhunderts) auf starren Substraten wie Silizium etabliert. Es war jedoch sehr schwierig, diese Technologie auf elektronische Systeme auszuweiten, die im täglichen Gebrauch sind. Obwohl eine breite Palette flexibler Halbleiter analysiert wurde, um allgegenwärtiges Sensieren zu ermöglichen, haben Wissenschaftler in diesem Bereich keinen bedeutenden Meilenstein erreicht.

Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam vom MIT das erste vollständig flexible Gerät, das WiFi-Signale in elektrische Energie umwandeln kann, um Elektronik zu betreiben. Es handelt sich um eine neue Art von Rectenna – ein Instrument zur Umwandlung von AC-Elektromagnetischen Wellen in DC-Elektrizität –, das eine flexible Hochfrequenzantenne nutzt, um elektromagnetische Wellen als AC-Wellenformen einzufangen.

Diese Antenne ist dann mit einem einzigartigen Gerät aus einem 2D-Halbleiter verbunden. Das Gerät wandelt das AC-Signal in DC-Spannung um, die Batterien aufladen und elektronische Schaltungen mit Strom versorgen könnte.

Was ist dieses einzigartige Gerät?

Konventionelle Rectennas verwenden entweder Galliumarsenid oder Silizium für den Gleichrichter, der das AC-Signal in DC-Leistung umwandelt. Obwohl diese Halbleiter das WiFi-Band abdecken, sind sie starr. Ihre Verwendung zur Fertigung großer Flächen (Wände, Gebäudefassaden) wäre extrem teuer.

Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, diese Probleme zu lösen. Sie haben einige effiziente Rectennas entwickelt, aber diese arbeiten bei niedrigen Frequenzen und können Signale im Gigahertz-Bereich nicht umwandeln, wo die meisten WiFi- und Mobilfunksignale liegen.

In dieser Studie verwendeten 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 um, dass sie als Schalter fungieren. Dies zwingt das Material, seine Phase von einem Halbleiter zu einem Metall zu ändern.

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

Dies ergibt eine Grenzfläche zwischen einem Halbleiter und einem Metall, eine sogenannte Schottky-Diode, die parasitäre Kapazität und Serienwiderstand gleichzeitig minimiert.

Die parasitäre Kapazität der Schottky-Diode ist viel geringer als die bestehender State-of-the-Art flexibler Gleichrichter. Damit kann sie drahtlose Signale mit viel höheren Raten (bis zu 10 Gigahertz) erfassen und umwandeln, was die von Mobilfunk-LTE, Bluetooth und Wi-Fi genutzten Hochfrequenzbänder abdeckt.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Ergebnisse und Anwendungen

Der maximale Ausgabewirkungsgrad des Geräts beträgt etwa 40 % und variiert je nach Eingang des WiFi-Signals. Zum Vergleich: Konventionelle Rectennas aus Galliumarsenid und Silizium haben einen Wirkungsgrad von 50 % bis 60 %. Das Team plant, komplexere Systeme mit höherem Wirkungsgrad zu entwickeln.

Frühe Anwendungen dieses neuen Geräts umfassen die Stromversorgung von Handheld-Elektronik, medizinischen Instrumenten und Sensoren für das «Internet der Dinge». In dieser Studie erzeugten Forscher 40 Mikrowatt Leistung, als die Rectenna normalen WiFi-Signalen ausgesetzt war (die normalerweise 150 Mikrowatt Leistung haben).

Heute entwickeln Wissenschaftler schluckbare Pillen, die Gesundheitsdaten zur Diagnose an Computer zurückstreamen. Die neue Rectenna könnte in Zukunft auch solche implantierbaren medizinischen Geräte mit Strom versorgen.