I dispositivi che convertono le onde elettromagnetiche in elettricità sono noti come “rectenne“. I ricercatori hanno dimostrato un nuovo tipo di rectenna, descritto in uno studio pubblicato su Nature, che utilizza un’antenna flessibile a radiofrequenza (RF) che cattura le onde elettromagnetiche, comprese quelle che trasportano il Wi-Fi, come forme d’onda.
L’antenna viene quindi collegata a un nuovo dispositivo costituito da un semiconduttore bidimensionale con pochi atomi spessi. Il segnale viaggia nel semiconduttore, che lo converte (come il Wattup) in una tensione continua che potrebbe essere utilizzata per alimentare circuiti elettronici o ricaricare le batterie.
Il segnale Wi-Fi come elettricità
In questo modo, il dispositivo senza batteria cattura passivamente e trasforma i segnali Wi-Fi onnipresenti in energia utile. Inoltre, il dispositivo è flessibile e può essere fabbricato in un processo roll-to-roll per coprire aree molto grandi.
“Abbiamo creato un nuovo modo per alimentare i sistemi elettronici del futuro – raccogliendo l’energia Wi-Fi in un modo facilmente integrabile in vaste aree – per portare l’intelligenza a tutti gli oggetti che ci circondano“, dice il coautore Tomás Palacios, professore nel Dipartimento di ingegneria elettrica e scienze informatiche e direttore del MIT/Centro MTL per i dispositivi di grafene e sistemi 2D nei laboratori di tecnologia Microsystems.
Le promettenti applicazioni iniziali per la rectenna includono l’alimentazione di elettronica flessibile e indossabile, dispositivi medici e sensori per “l’internet of things”. Gli smartphone flessibili, ad esempio, sono un nuovo mercato caldo per le principali aziende tecnologiche. Negli esperimenti, il dispositivo dei ricercatori può produrre circa 40 microwatt di potenza se esposto ai tipici livelli di potenza dei segnali Wi-Fi (circa 150 microwatt). È più che sufficiente per illuminare un semplice display portatile o chip di silicio.
Si stanno studiando dei dispositivi per la diagnostica dei pazienti e “idealmente non si vogliono usare le batterie per alimentare questi sistemi, perché se perdono il litio, il paziente potrebbe morire“, riporta un ricercatore. “È molto meglio raccogliere energia dall’ambiente per alimentare questi piccoli laboratori all’interno del corpo e comunicare i dati a computer esterni“.
Tutte le rectenne fanno affidamento su un componente noto come “raddrizzatore”, che converte il segnale di ingresso a corrente alternata in corrente continua. Le rectenne tradizionali usano silicio o arseniuro di gallio per il raddrizzatore. Questi materiali possono coprire la banda Wi-Fi, ma sono rigidi. E, sebbene l’uso di questi materiali per fabbricare piccoli dispositivi sia relativamente poco costoso, utilizzarli per coprire vaste aree, come le superfici di edifici e pareti, sarebbe proibitivo dal punto di vista dei costi. I ricercatori hanno cercato di risolvere questi problemi per molto tempo. Ma le poche flessibili rectenne segnalate finora operano a basse frequenze e non possono acquisire e convertire segnali in frequenze nell’ordine dei gigahertz
Per costruire il loro raddrizzatore, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo materiale 2D chiamato molibdeno disolfuro (MoS2), che con tre atomi di spessore è uno dei semiconduttori più sottili al mondo. In tal modo, il team ha sfruttato un comportamento singolare di MoS2: quando esposti a determinate sostanze chimiche, gli atomi del materiale si riorganizzano in un modo che agisce come un interruttore, forzando una transizione di fase da un semiconduttore a un materiale metallico. Questa struttura è nota come diodo Schottky, che è la giunzione di un semiconduttore con un metallo.
La capacità parassita è una situazione inevitabile nell’elettronica, dove certi materiali immagazzinano una piccola carica elettrica, che rallenta il circuito. Una minore capacità, quindi, significa maggiore velocità del raddrizzatore e frequenze operative più elevate. La capacità parassita del diodo Schottky dei ricercatori è di un ordine di grandezza inferiore rispetto ai moderni raddrizzatori flessibili di oggi, quindi è molto più veloce nella conversione del segnale e consente di acquisire e convertire fino a 10 gigahertz di segnali wireless, dunque anche Bluetooth, ed LTE.