Imaginez un monde où les smartphones, les ordinateurs portables, les appareils portables et autres appareils électroniques fonctionnent sans piles. Les chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont fait un pas dans cette direction avec la sortie du premier appareil entièrement flexible capable de convertir l'énergie des signaux Wi-Fi en électricité et en électronique de puissance.
Qu'est-ce que la rectenne
Une rectenne est un appareil qui convertit les ondes électromagnétiques de courant alternatif en courant continu. Les chercheurs en ont décrit une nouvelle espèce dans la revue Nature. Il utilise une antenne radiofréquence flexible qui capte les ondes électromagnétiques, y compris le Wi-Fi. Il se connecte à un semi-conducteur bidimensionnel de plusieurs atomes d'épaisseur. Le courant alternatif circule dans le semi-conducteur, qui le convertit en courant continu, ce qui vous permet d'alimenter des circuits électroniques ou de charger des batteries.
Ainsi, l'appareil capture et convertit passivement les signaux Wi-Fi en courant continu. Il est flexible et peut être produit en rouleaux pour couvrir une grande surface.
La nouvelle façon d'alimenter l'Internet des objets
«Et si nous créons des systèmes électroniques qui s'enroulent autour d'un pont, ou couvrent une autoroute entière ou les murs d'un bureau et donnent une intelligence électronique à tout ce qui nous entoure? Comment alimenter toute cette électronique? Demande au co-auteur Thomas Palacios, professeur au Département de génie électrique et d'informatique et directeur du Center for Graphene Devices and 2D Systems in Microsystem Technology Laboratories. «Nous avons mis au point une nouvelle façon d'alimenter les systèmes électroniques du futur, en récoltant l'énergie Wi-Fi d'une manière qui peut être facilement intégrée sur de vastes zones afin que tous les objets autour de nous gagnent en intelligence.»
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Les premières applications prometteuses de la rectenne proposée comprennent l'alimentation de l'électronique flexible et portable, des dispositifs médicaux et des capteurs IoT. Les smartphones flexibles, par exemple, sont un nouveau marché brûlant pour les grandes entreprises technologiques. Le dispositif expérimental génère environ 40 μW de puissance lorsqu'il est exposé à des niveaux de puissance de signal Wi-Fi typiques (environ 150 μW). C'est plus que suffisant pour éclairer un simple écran de téléphone portable ou des puces d'alimentation.
Application en médecine
Selon un chercheur de l'Université technique de Madrid, Jesús Grajal, l'une des applications possibles du développement est de fournir la transmission de données pour les dispositifs médicaux implantables. Par exemple, des pilules qui transmettront des données sur la santé du patient à un ordinateur pour un diagnostic ultérieur.
«Il est dangereux d'utiliser des piles pour alimenter ces systèmes car si le lithium fuit, le patient mourra», dit Grahal. "Il est préférable de récolter l'énergie de l'environnement pour alimenter ces petits laboratoires à l'intérieur du corps et transmettre des données à des ordinateurs externes."
Redresseur flexible
Tous les redresseurs reposent sur un composant appelé «redresseur» qui convertit le courant alternatif en courant continu. Dans les rectennes traditionnelles, le redresseur est en silicium ou en arséniure de gallium. Ces matériaux peuvent couvrir les fréquences Wi-Fi, mais ils sont résistants. Bien qu'ils soient relativement peu coûteux à utiliser pour fabriquer de petits appareils, couvrir de grandes surfaces telles que les surfaces des bâtiments et des murs serait d'un coût prohibitif. Les chercheurs tentent depuis longtemps de résoudre ces problèmes. Mais quelques rectennes flexibles qui ont été signalées jusqu'à présent fonctionnent à des basses fréquences et ne peuvent pas capturer et convertir les signaux gigahertz, ce que sont la plupart des signaux de téléphone portable et Wi-Fi.
Pour créer leur redresseur, les chercheurs ont utilisé un nouveau matériau bidimensionnel, le bisulfure de molybdène (MoS2), qui, avec une épaisseur de 3 atomes, est l'un des dispositifs à semi-conducteurs les plus minces au monde. L'équipe a utilisé le comportement inhabituel du MoS2: lorsqu'ils sont exposés à certains produits chimiques, les atomes du matériau se réorganisent de telle manière qu'il agit comme un interrupteur, provoquant une transition de phase d'un semi-conducteur à un matériau métallique. Cette structure est connue sous le nom de diode Schottky.
«En créant MoS2 dans une transition de phase semi-conducteur-métal 2D, nous avons construit une diode Schottky fine et ultra-rapide qui minimise simultanément la résistance série et la capacité parasite», explique l'auteur du projet Xu Zhang.
La capacité parasite est inévitable en électronique. Certains matériaux accumulent une petite charge électrique qui ralentit le circuit. Par conséquent, une capacité inférieure signifie des vitesses de redresseur plus élevées et des fréquences de fonctionnement plus élevées. La capacité parasite d'une diode Schottky est d'un ordre de grandeur inférieure à celle des redresseurs flexibles modernes, elle convertit donc le signal beaucoup plus rapidement et vous permet de capturer et de convertir jusqu'à 10 GHz.
«Cette conception a un appareil entièrement flexible qui est suffisamment rapide pour couvrir la plupart des bandes de fréquences radio utilisées par l'électronique au jour le jour, y compris le Wi-Fi, le Bluetooth, le LTE cellulaire et plus», dit Zhang.
Efficacité de la rectenne flexible
Dans l'ouvrage décrit, des dessins d'autres dispositifs flexibles performants sont proposés. L'efficacité de sortie maximale de l'appareil actuel est de 40% en moyenne et dépend de la puissance Wi-Fi. Le redresseur MoS2 a un rendement typique de 30%. A titre de référence, l'efficacité des rectennes constituées du silicium ou de l'arséniure de gallium plus dur et plus cher atteint 50 à 60%.
L'équipe de développement prévoit maintenant de construire des systèmes plus complexes et d'améliorer l'efficacité de la technologie.
Auteur: Sergey Prots
