Novo dispositivo converte sinal wi-fi em eletricidade

Novo dispositivo converte sinal wi-fi em eletricidade
Imagem ilustrativa da rectenna

   Imagine um mundo em que smartphones, laptops e outros produtos eletrônicos sejam alimentados sem baterias. Pesquisadores do MIT e de outros países deram um passo nessa direção, com o primeiro dispositivo totalmente flexível que pode converter a energia dos sinais Wi-Fi em eletricidade para alimentar eletrônicos em geral.

  Dispositivos que convertem ondas eletromagnéticas de corrente alternada em eletricidade de corrente contínua são conhecidos como "rectennas". Os pesquisadores demonstram um novo tipo de rectenna, descrito em um estudo publicado na Nature , que usa uma antena de radiofreqüência (RF) flexível que captura ondas eletromagnéticas - incluindo aquelas que transportam Wi-Fi - como formas de onda AC (corrente alternada).

   A antena é então conectada a um novo dispositivo feito de um semicondutor bidimensional com poucos átomos de espessura. O sinal AC viaja para o semicondutor, que o converte em uma tensão DC (corrente contínua) que pode ser usada para alimentar circuitos eletrônicos ou recarregar baterias.

  Dessa forma, o dispositivo sem bateria captura e transforma passivamente sinais Wi-Fi onipresentes em energia DC útil. Além disso, o dispositivo é flexível e pode ser fabricado em um processo roll-to-roll para cobrir áreas muito grandes.

   "E se pudéssemos desenvolver sistemas eletrônicos que envolvessem uma ponte ou cobrissem uma rodovia inteira ou as paredes de nosso escritório e traríamos inteligência eletrônica para tudo ao nosso redor? Como você fornece energia para esses aparelhos eletrônicos?" diz o co-autor do artigo, Tomás Palacios, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do Centro MIT / MTL de Dispositivos de Grafeno e Sistemas 2D nos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas. "Criamos uma nova maneira de alimentar os sistemas eletrônicos do futuro - capturando a energia Wi-Fi de maneira que seja facilmente integrada em grandes áreas - para trazer inteligência a todos os objetos ao nosso redor".

   As aplicações iniciais promissoras para a rectenna proposta incluem o fornecimento de energia a aparelhos eletrônicos flexíveis e vestíveis, dispositivos médicos e sensores para a "internet das coisas". Smartphones flexíveis, por exemplo, são um novo mercado para grandes empresas de tecnologia. Em experimentos, o dispositivo dos pesquisadores pode produzir cerca de 40 microwatts de energia quando expostos aos níveis típicos de energia dos sinais Wi-Fi (cerca de 150 microwatts). Isso é mais do que energia suficiente para acender um simples monitor móvel ou chips de silício.

  Outra possível aplicação está alimentando a comunicação de dados de dispositivos médicos implantáveis, diz o co-autor Jesús Grajal, pesquisador da Universidade Técnica de Madri. Por exemplo, os pesquisadores estão começando a desenvolver pílulas que podem ser engolidas pelos pacientes e transmitir dados de saúde de volta a um computador para diagnósticos.

   "Idealmente, você não quer usar baterias para alimentar esses sistemas, porque se eles vazam lítio, o paciente pode morrer", diz Grajal. "É muito melhor colher a energia do ambiente para ligar esses pequenos laboratórios dentro do corpo e comunicar dados a computadores externos".

   Todas as rectennas dependem de um componente conhecido como "retificador", que converte o sinal de entrada AC em energia DC. Retennas tradicionais usam arseneto de silício ou gálio para o retificador. Esses materiais podem cobrir a banda Wi-Fi, mas são rígidos. E, embora o uso desses materiais para fabricar pequenos dispositivos seja relativamente barato, usá-los para cobrir vastas áreas, como as superfícies de edifícios e paredes, seria um custo proibitivo. Pesquisadores tentam contornar esses problemas há muito tempo. Mas as poucas rectennas flexíveis relatadas até agora operam em baixas freqüências e não podem capturar e converter sinais em freqüências de gigahertz, onde a maioria dos sinais de telefone celular e Wi-Fi são relevantes.

   Para construir seu retificador, os pesquisadores usaram um novo material chamado dissulfeto de molibdênio (MoS2), que em três átomos de espessura é um dos semicondutores mais finos do mundo. Ao fazer isso, a equipe aproveitou um comportamento singular do MoS2 : Quando expostos a certos produtos químicos, os átomos do material se reorganizam de uma maneira que age como um interruptor, forçando uma transição de fase de um semicondutor para um material metálico. Essa estrutura é conhecida como um diodo Schottky, que é a junção de um semicondutor com um metal.

   "Ao projetar MoS2 em uma junção de fase semicondutor-metálica, construímos um diodo Schottky atomicamente fino e ultrarápido que minimiza simultaneamente a resistência em série e a capacitância parasítica", diz o primeiro autor e pós-doutorado do EECS Xu Zhang, que em breve se juntará a Carnegie Mellon University como professor assistente.

  "Esse design permitiu um dispositivo totalmente flexível que é rápido o suficiente para cobrir a maioria das bandas de frequência de rádio usadas pelos nossos eletrônicos diários, incluindo Wi-Fi, Bluetooth, LTE celular e muitos outros", diz Zhang.

   O trabalho relatado fornece planos para outros dispositivos flexíveis de Wi-Fi para eletricidade com saída e eficiência substanciais. A eficiência máxima de saída do dispositivo atual é de 40%, dependendo da potência de entrada da entrada Wi-Fi. No nível de energia Wi-Fi típico, a eficiência de energia do retificador MoS2 é de cerca de 30%. Para referência, as melhores rectennas de silício e gálio de hoje feitas de arseneto de silício ou gálio, mais caras, atingem cerca de 50 a 60%.

   A equipe agora está planejando construir sistemas mais complexos e melhorar a eficiência. O trabalho foi possível, em parte, por uma colaboração com a Universidade Técnica de Madri através das Iniciativas de Ciência e Tecnologia do MIT (MISTI). Também foi parcialmente apoiado pelo Instituto de Nanotecnologia de Soldados, o Laboratório de Pesquisa do Exército, o Centro de Materiais Quânticos Integrados da Fundação Nacional de Ciência e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

Artigo:

Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

Fonte:

www.sciencedaily.com