Flexibele rectenna zet WiFi-signalen om in elektriciteit voor kleine apparaten

Een nieuw type rectenna, gemaakt van een dun, tweedimensionaal halfgeleider, kan WiFi-signalen omzetten in elektriciteit. Onderzoekers genereerden 40 microwatt vermogen toen ze de rectenna blootstelden aan normale WiFi-signalen — meer dan genoeg om siliciumchips aan te sturen of een LED te laten branden.

Van Tesla tot moderne energioogst

Draadloze energieoverdracht dateert uit de late 19e eeuw toen Nikola Tesla werkte aan methoden voor het overdragen van elektrische energie zonder draden. Een paar jaar later vond de Italiaanse uitvinder Guglielmo Marconi het eerste complete, commercieel succesvolle draadloze telegraphiesysteem.

Efficiënte radiofrequentie-energioogsters werden later (midden 20e eeuw) op starre substraten zoals silicium gerealiseerd. Het bleek echter moeilijk om deze technologie uit te breiden naar elektronische systemen die dagelijks worden gebruikt. Hoewel een breed scala aan flexibele halfgeleiders is geanalyseerd om echte ubiquitair senseren mogelijk te maken, hebben wetenschappers nog geen significante mijlpaal in dit veld bereikt.

Onlangs kwam een onderzoeksploeg van MIT met het eerste volledig flexibele apparaat dat WiFi-signalen kan omzetten in elektrische energie om elektronica te voeden. Het is een nieuw type rectenna — een instrument voor het omzetten van AC elektromagnetische golven in DC elektriciteit — dat een flexibele radiofrequentie-antenne gebruikt om elektromagnetische golven op te vangen als AC-golven.

Deze antenne wordt vervolgens gekoppeld aan een uniek apparaat gemaakt van een 2D-halfgeleider. Het apparaat zet het AC-signaal om in DC-spanning die batterijen kan opladen en elektronische circuits kan voeden.

Wat maakt dit apparaat uniek?

Conventionele rectenna's gebruiken ofwel galliumarsenide ofwel silicium voor de gelijkrichter die het AC-signaal omzet in DC-vermogen. Hoewel deze halfgeleiders het WiFi-band dekken, zijn ze stijf. Het gebruik ervan om grote oppervlakken (muren, gebouwgevels) te fabriceren zou extreem duur zijn.

Wetenschappers proberen deze problemen al decennia op te lossen. Ze hebben enkele efficiënte rectenna's ontwikkeld, maar die werken bij lage frequenties en kunnen geen signalen in de gigahertz-frequenties omzetten, waar de meeste WiFi- en mobiele telefoonsignalen liggen.

In deze studie gebruikten onderzoekers een nieuw tweedimensionaal materiaal genaamd molybdeen-disulfië dat slechts drie atomen dik is. Wanneer atomen van dit materiaal in contact komen met bepaalde chemicaliën, herpositioneren ze zich op een manier dat ze als een schakelaar fungeren. Dit dwingt het materiaal om zijn fase te veranderen van een halfgeleider naar een metaal.

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

Dit resulteert in een overgang van een halfgeleider met een metaal, een zogenaamde Schottky-diode, die de parasitaire capaciteit en serieweerstand tegelijkertijd minimaliseert.

De parasitaire capaciteit van de Schottky-diode is veel lager dan die van bestaande state-of-the-art flexibele gelijkrichters. Daardoor kan het draadloze signalen op veel hogere snelheden (tot 10 gigahertz) opvangen en omzetten, wat de radiofrequentiebanden dekt die worden gebruikt door cellulair LTE, Bluetooth en Wi-Fi.

Met dank aan de onderzoekers

Resultaten en toepassingen

De maximale uitefficiëntie van het apparaat is ongeveer 40% en varieert afhankelijk van de invoer van het WiFi-signaal. Ter vergelijking: conventionele rectenna's van galliumarsenide en silicium hebben een efficiëntie van ongeveer 50% tot 60%. Het team plannet complexere systemen met hogere efficiëntie te ontwikkelen.

Vroegere toepassingen van dit nieuwe apparaat omvatten het voeden van handheld elektronica, medische instrumenten en sensoren voor het 'internet of things'. In deze studie genereerden onderzoekers 40 microwatt vermogen toen de rectenna blootgesteld werd aan normale WiFi-signalen (die meestal 150 microwatt vermogen hebben).

Tegenwoordig ontwikkelen wetenschappers inslikbare pillen die gezondheidsdata terugstreamen naar computers voor diagnostiek. De nieuwe rectenna kan in de toekomst ook gebruikt worden om dergelijke implanteerbare medische apparaten te voeden.