Nos yeux ne sont accordés que sur une bande étroite de longueurs d'onde possibles de rayonnement électromagnétique, de l'ordre de 390 à 700 nanomètres. Si vous pouviez voir le monde à différentes longueurs d'onde, vous sauriez que dans une zone urbaine, vous êtes éclairé même dans l'obscurité - le rayonnement infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio sont partout. Une partie de ce rayonnement électromagnétique de l'environnement est émise par des objets qui dispersent leurs électrons partout, et certains transportent les signaux radio et Wi-Fi qui sous-tendent nos systèmes de communication. Tous ces rayonnements transportent également de l'énergie.
Et si nous pouvions exploiter l'énergie des ondes électromagnétiques?
Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont présenté une étude parue dans la revue Nature détaillant comment ils en sont arrivés à la mise en œuvre pratique de cet objectif. Ils ont développé le premier appareil entièrement pliable capable de convertir l'énergie des signaux Wi-Fi en électricité CC utilisable.
Tout appareil capable de convertir des signaux CA en courant continu (CC) est appelé une antenne de redressement. L'antenne capte le rayonnement électromagnétique et le convertit en courant alternatif. Il passe ensuite à travers une diode, qui le convertit en courant continu pour une utilisation dans les circuits électriques.
Les rectennes ont été proposées pour la première fois dans les années 1960 et ont même été utilisées pour démontrer un modèle d'hélicoptère à micro-ondes en 1964 par l'inventeur William Brown. À ce stade, les futuristes rêvaient déjà de la transmission d'énergie sans fil sur de longues distances et même de l'utilisation de rectennes pour collecter l'énergie solaire spatiale des satellites et la transmettre à la Terre.
Rectenne optique
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Aujourd'hui, les nouvelles technologies pour travailler à l'échelle nanométrique permettent beaucoup de nouvelles choses. En 2015, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont assemblé la première rectenne optique capable de gérer les hautes fréquences du spectre visible à partir de nanotubes de carbone.
Jusqu'à présent, ces nouvelles rectennes optiques ont des rendements faibles, environ 0,1%, et ne peuvent donc pas rivaliser avec l'efficacité croissante des panneaux solaires photovoltaïques. Mais la limite théorique pour les cellules solaires à base de rectenne est probablement supérieure à la limite de Shockley-Kuisser pour les cellules solaires et peut atteindre 100% lorsqu'elles sont éclairées par un rayonnement d'une certaine fréquence. Cela permet une transmission d'énergie sans fil efficace.
La nouvelle partie de l'appareil, fabriquée par le MIT, tire parti d'une antenne RF flexible capable de capturer les longueurs d'onde associées aux signaux Wi-Fi et de les convertir en courant alternatif. Ensuite, au lieu d'une diode traditionnelle pour convertir ce courant en courant continu, le nouvel appareil utilise un semi-conducteur «bidimensionnel» de quelques atomes d'épaisseur, créant une tension qui peut être utilisée pour alimenter des appareils portables, des capteurs, des appareils médicaux ou de l'électronique à grande surface.
Les nouveaux rectennes sont constitués de matériaux bidimensionnels (2D) - le bisulfure de molybdène (MoS2), qui n'a que trois atomes d'épaisseur. L'une de ses propriétés remarquables est la réduction de la capacité parasite - la tendance des matériaux des circuits électriques à agir comme des condensateurs qui retiennent une certaine charge. Dans l'électronique CC, cela peut limiter la vitesse des convertisseurs de signaux et la capacité des appareils à répondre aux hautes fréquences. Les nouvelles rectennes au bisulfure de molybdène ont une capacité parasite d'un ordre de grandeur inférieure à celles développées jusqu'à présent, ce qui permet à l'appareil de capturer des signaux jusqu'à 10 GHz, y compris dans la gamme des appareils Wi-Fi typiques.
Un tel système aurait moins de problèmes avec les batteries: son cycle de vie serait beaucoup plus long, les appareils électriques seraient chargés par le rayonnement ambiant et il n'y aurait pas besoin de jeter les composants, comme c'est le cas avec les batteries.
«Et si nous pouvions développer des systèmes électroniques qui s'enrouleraient autour d'un pont ou qui couvriraient une autoroute entière, les murs de nos bureaux, et donneraient une intelligence électronique à tout ce qui nous entoure? Comment allez-vous alimenter toute cette électronique? », Demande le co-auteur Thomas Palacios, professeur au département de génie électrique et d'informatique du Massachusetts Institute of Technology. "Nous avons mis au point une nouvelle façon d'alimenter les systèmes électroniques du futur."
L'utilisation de matériaux 2D permet de produire des composants électroniques flexibles à moindre coût, ce qui nous permet potentiellement de les placer sur de grandes surfaces pour capter le rayonnement. Des dispositifs flexibles pourraient être utilisés pour équiper un musée ou une chaussée, et ce serait beaucoup moins cher que d'utiliser des rectennes de semi-conducteurs traditionnels en silicium ou en arséniure de gallium.
Puis-je charger mon téléphone à partir de signaux Wi-Fi?
Malheureusement, cette option semble hautement improbable, même si au fil des ans, le sujet de «l'énergie libre» a trompé les gens encore et encore. Le problème réside dans la densité d'énergie des signaux. La puissance maximale qu'un hotspot Wi-Fi peut utiliser sans licence de diffusion dédiée est généralement de 100 milliwatts (mW). Ces 100mW rayonnent dans toutes les directions, s'étendant sur la surface d'une sphère centrée sur l'AP.
Même si votre téléphone mobile collectait toute cette puissance avec une efficacité de 100%, il faudrait encore des jours pour charger la batterie de l'iPhone, et le faible encombrement et la distance du téléphone au point d'accès limiteraient considérablement la quantité d'énergie qu'il pourrait collecter à partir de ces signaux. Le nouvel appareil du MIT sera capable de capturer environ 40 microwatts de puissance lorsqu'il est exposé à une densité Wi-Fi typique de 150 microwatts: pas assez pour alimenter un iPhone, mais assez pour un simple écran ou un capteur sans fil à distance.
Pour cette raison, il est beaucoup plus probable que la charge sans fil pour les gros gadgets repose sur la charge par induction, qui est déjà capable d'alimenter des appareils jusqu'à un mètre de distance s'il n'y a rien entre le chargeur sans fil et l'objet de charge.
Cependant, l'énergie RF environnante peut être utilisée pour alimenter certains types d'appareils - comment pensez-vous que les radios soviétiques fonctionnent? Et le prochain "Internet des objets" utilisera certainement ces modèles alimentaires. Il ne reste plus qu'à créer des capteurs à faible consommation d'énergie.
Le co-auteur Jesús Grajal de l'Université technique de Madrid voit une utilisation potentielle dans les dispositifs médicaux implantables: une pilule qu'un patient peut avaler transférera les données de santé vers un ordinateur pour le diagnostic. «Idéalement, nous ne voudrions pas utiliser des batteries pour alimenter de tels systèmes, car s'ils laissent passer le lithium, le patient pourrait mourir», déclare Grajal. "Il est bien 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."
L'efficacité actuelle de l'appareil est d'environ 30 à 40% contre 50 à 60% pour les rectennes traditionnelles. Avec des concepts tels que la piézoélectricité (matériaux qui génèrent de l'électricité lorsqu'ils sont physiquement pressés ou étirés), l'électricité générée par des bactéries et la chaleur environnementale, l'électricité «sans fil» pourrait bien devenir l'une des sources d'énergie de la microélectronique du futur.
Ilya Khel