Was Wäre, Wenn Ihr Fitbit Auf Einem Wi-Fi-Signal Laufen Könnte?
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Anonim

Neue elektronische 2-D-Technologie kann Funkenergie ernten, um eine Reihe von Geräten wie Hörgeräte, Sensoren und andere Geräte, aus denen das Internet der Dinge besteht, mit Strom zu versorgen.

Was wäre, wenn Ihr Fitbit auf einem Wi-Fi-Signal laufen könnte?
Was wäre, wenn Ihr Fitbit auf einem Wi-Fi-Signal laufen könnte?

Ein flexibles, flaches Halbleitermaterial, das Energie aus Funksignalen in Städten gewinnen kann, ist möglicherweise genau das Richtige, um eine neue Generation von Elektronik anzutreiben.

Ein Team des Massachusetts Institute of Technology berichtet in Nature, dass ein Film aus Molybdändisulfid (MoS2) - ein zweidimensionales Material, weil es nur drei Atome dick ist - wie eine Antenne wirken kann, um Funksignale von Wi-Fi, Mobiltelefonen und Radio oder zu konvertieren Fernsehsendungen für drahtlose Geräte. Es könnte energiesparende Herzschrittmacher, Hörgeräte und Sensoren im Internet der Dinge (IoT) antreiben.

Die Stromversorgung würde nicht ausreichen, um Mobiltelefone und Tablets ohne dramatische Durchbrüche aufzuladen, und selbst das Fitbit ist ein Stück weit. Möglicherweise liegt jedoch ein kleiner Schritt in Richtung Wi-Fi-Strom vor. „Die Zukunft der Elektronik bringt Intelligenz in jedes einzelne Objekt, von unserer Kleidung über unsere Schreibtische bis hin zu unserer Infrastruktur“, sagt Tomás Palacios, Professor für Elektrotechnik am MIT. "Der wichtigste fehlende Baustein ist, wie all diese Milliarden von Geräten mit Energie versorgt werden können." Er sagt, dass MoS2-Blätter vielversprechend sind, weil sie flexibel sind und kostengünstig durch Roll-to-Roll-Druck hergestellt werden können.

Die Gruppe demonstrierte ein flexibles Material, das Funkenergie bei Frequenzen bis zu 10 Gigahertz gewinnen kann und das die weit verbreiteten 2,4- und 5-Gigahertz-Bänder abdeckt, die Wi-Fi-Signale sowie anderen Funkverkehr übertragen. Flexibilität ist wichtig für tragbare Geräte und viele andere Sensoranwendungen, aber andere flexible Materialien absorbieren im Allgemeinen wenig Funkleistung bei Frequenzen über 1,6 Gigahertz, was ihr Potenzial für die Energiegewinnung begrenzt. Laut Palacios kann der zweidimensionale Halbleiter 30 bis 50 Mikrowatt aus Wi-Fi-Umgebungssignalen von etwa 100 Mikrowatt ernten, was ausreicht, um Herzschrittmacher, Hörgeräte, Dehnungssensoren, Kommunikationsverbindungen und viele IoT-Objekte mit geringer Leistung zu betreiben. Ein solches System könnte möglicherweise ohne Batterie betrieben werden, wodurch das Gewicht gesenkt und ein Austreten aus der Stromquelle eines medizinischen Implantats im Körper vermieden wird.

Die MIT-Arbeit „ist eine wichtige erste Demonstration der Energiegewinnung aus drahtlosen Umgebungssignalen… umso überzeugender, als alles auf demselben flexiblen Substrat integriert wurde“, sagt Deji Akinwande, Elektro- und Computeringenieur an der University of Texas in Austin war nicht an der Arbeit beteiligt. "Die nächste Herausforderung besteht darin, die Geräte so zu skalieren, dass sie höhere Leistungen erbringen, die für moderne mobile Anwendungen erforderlich sind."

Energy-Harvesting-Systeme versorgen bereits andere Remote-Geräte mit Strom, um einen häufigen Batteriewechsel zu vermeiden. Die meisten gegenwärtigen Systeme beziehen Strom aus Licht, Temperaturunterschieden oder kinetischen Bewegungen, sagt Andreas Schneider, CEO von EnOcean, einem deutschen Hersteller von batterielosen Geräten mit eigener Stromversorgung, der nicht an der Forschung beteiligt war. Er sagt, dass Photovoltaikzellen genug Lichtenergie beschaffen können, um Innengeräte mit einer Beleuchtungsstärke von 100 Lux, ungefähr der Beleuchtungsstärke im Flur und weniger als einem Drittel der normalen Beleuchtungsstärke im Büro, mit Strom zu versorgen. Durch Drücken eines mechanischen Schalters kann genug Energie erzeugt werden, um ein Signal zum Einschalten einer Lampe im Raum oder die Treppe hinauf zu senden. Temperaturgradienten entlang von Warmwasserleitungen können Signale an das Heizsystem senden. Das Unternehmen stellte jedoch fest, dass die Umgebungsfunksignalleistung für die derzeitigen Geräte unzureichend war, es sei denn, es wurden zusätzliche lokale Funksender hinzugefügt. Schneider sagt, "Sie möchten nicht neben ihnen sitzen", da befürchtet wird, dass elektromagnetische Felder ungesunde Werte erreichen könnten.

Mit Blick auf die Zukunft der drahtlosen 5G-Netzwerke und des IoT sagt Palacios: „Sie könnten möglicherweise Solarzellen verwenden, aber Sie haben nur tagsüber Sonnenlicht. Die andere Möglichkeit besteht darin, Energie zu gewinnen, die bereits in Hochfrequenzsignalen vorhanden ist, "wie Wi-Fi, das die meiste Zeit überträgt".

Sowohl Funkenergie-Erntemaschinen als auch Funksignalempfänger sammeln Energie, wenn durchgelassene Funkwellen mit Antennen interagieren. Elektromagnetische Kräfte ziehen an Elektronen im leitenden Material hin und her und induzieren einen elektrischen Strom, der sich in der Richtung ändert, wenn sich die Wellen in der Phase abwechseln. Antennen, die Signale für Funkempfänger sammeln, übertragen die schwankenden Signale an Schaltkreise, die sie verstärken und in Audio- oder Videofrequenzen umwandeln. Antennen, die Funkenergie aufnehmen, senden den schwankenden Strom an ein elektronisches Gerät, einen Gleichrichter, der Strom nur in eine Richtung überträgt und den ankommenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, der elektronische Geräte antreiben oder Batterien laden kann.

Gleichrichter sind normalerweise Halbleiter, während Antennen normalerweise metallisch und hochleitend sind. Molybdändisulfid ist „ein wirklich guter Halbleiter“, sagt Palacios. Es kann modifiziert werden, um es hochleitfähig zu machen, sodass es sowohl als Antenne als auch als Gleichrichter dienen kann - ein Gerät, das als Rectenna bezeichnet wird und in den 1960er Jahren erfunden wurde und jetzt in RFID- (Radio Frequency Identification) und Proximity-Karten verwendet wird.

Heutzutage sind die meisten Rectennas kleine, starre Chips aus unflexiblen Halbleitern wie Silizium, die einen guten Frequenzgang haben, aber durch ihre Inflexibilität begrenzt sind. Die MIT-Gruppe ist die erste, die große, flexible Rectennas hergestellt hat, die Energie aus weit verbreiteten, nicht lizenzierten Funkfrequenzen von bis zu 10 Gigahertz gewinnen können, ohne dass eine Batteriespannung erforderlich ist, um den Prozess auszulösen. Flexibilität und Dünnheit sind wichtig für den Einsatz in tragbaren Geräten und in „Smart Skins“, die zur kontinuierlichen Überwachung oder als Teil eines verteilten Netzwerks intelligenter Sensoren auf Infrastrukturen, Flugzeuge oder andere Objekte angewendet werden können. Schichten mit einer Dicke von nur drei Atomen können durch ein Verfahren gezüchtet werden, das bei der Halbleiterherstellung weit verbreitet ist - chemische Gasphasenabscheidung - zu geringen Kosten über einen großen Bereich und arbeiten immer noch bei sehr hohen Frequenzen.

Die Technologie befindet sich noch im Labor. Die Produktion muss vergrößert werden, und die Filme müssen in die Geräte integriert werden, die sie mit Strom versorgen. Eine weitere Herausforderung wird darin bestehen, Geräte zu entwickeln, die nur mit einer Leistung von mehreren zehn Mikrowatt betrieben werden können. Palacios erwartet jedoch die ersten kommerziellen Anwendungen seit fünf bis sieben Jahren. „Das Wichtigste, was Sie brauchen, ist die Skalierung im Hinblick auf einen Fertigungsansatz, mit dem wir Sensoren über einen sehr großen Bereich zu geringen Kosten herstellen können“, stellt er fest. Zu den zusätzlichen Anwendungen, die er erwartet, gehört die Beleuchtung kleiner Displays durch Bereitstellung von 30 bis 50 Mikrowatt Leistung und die Verknüpfung implantierbarer medizinischer Geräte mit externen Überwachungsgeräten. Zumindest für einige Anwendungen kann Energie wirklich aus der Luft gezogen werden.

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