Energia a partir do sinal do wi-fi pode retirar baterias de smartphones

Convertendo sinais Wi-Fi em eletricidade com novos materiais em 2-D

O dispositivo fabricado com materiais flexíveis e baratos pode alimentar componentes eletrônicos de grandes áreas, wearables, dispositivos médicos e muito mais.

Imagine um mundo em que smartphones, laptops, wearables e outros produtos eletrônicos dentro de sua casa, alarmes, sensores de presença sem fio, 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 que poderia alimentar a eletrônica.

Pesquisadores do MIT e de outros países projetaram a primeira “régua” totalmente flexível e sem bateria – um dispositivo que converte energia de sinais Wi-Fi em eletricidade – que poderia ser usada para alimentar eletrônicos flexíveis e vestíveis, dispositivos médicos e sensores para “Internet das Coisas.”
Imagem: Christine Daniloff

Dispositivos que convertem ondas eletromagnéticas AC em eletricidade DC são conhecidos como “retennas”. Os pesquisadores demonstram um novo tipo de retina, descrito em um estudo publicado hoje na Nature, que usa uma antena de radiofrequência (RF) flexível que captura ondas eletromagnéticas. incluindo aqueles que transportam Wi-Fi – como formas de onda AC.

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

Smartphone sem bateria?

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 envolvêssemos uma ponte ou cobriríamos uma rodovia inteira ou as paredes de nosso escritório e traríamos informações eletrônicas para tudo ao nosso redor? Como você fornece energia para esses eletrônicos? ”, Diz o co-autor do artigo, Tomás Palacios, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do Centro de Dispositivos de Grafeno e Sistemas 2D do MIT / MTL 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”.

Infinitas possibilidades

As aplicações iniciais promissoras para a proposta da retenna incluem o fornecimento de 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. Nos 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 LED ou acionar 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.

“O ideal é que você não queira usar baterias para alimentar esses sistemas, porque se eles vazarem lítio, o paciente poderá morrer”, diz Grajal. “É muito melhor colher energia do ambiente para ligar esses pequenos laboratórios dentro do corpo e comunicar dados a computadores externos”.

Desafios a serem vencidos

Todas as retenções dependem de um componente conhecido como “retificador”, que converte o sinal de entrada CA em energia CC. Retennenes 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 consertar esses problemas há muito tempo. Mas as poucas retenções flexíveis relatadas até agora operam em baixas freqüências e não podem capturar e converter sinais em freqüências gigahertz, onde a maioria dos sinais de telefone celular e Wi-Fi são relevantes.

Para construir seu retificador, os pesquisadores usaram um novo material 2-D 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. A estrutura resultante é conhecida como um diodo de Schottky, que é a junção de um semicondutor com um metal.

“Ao projetar o MoS2 em uma junção de fase semicondutor-metálica 2D, construímos um Diodo Schottky atomicamente fino e ultrarápido que minimiza simultaneamente a resistência em série e a capacitância parasitária”, diz o primeiro autor e pós-doutorado do EECS Xu Zhang, que em breve ingressará na Carnegie Mellon Universidade como professor assistente.

A capacitância parasitária é uma situação inevitável na eletrônica, onde certos materiais armazenam um pouco de carga elétrica, o que retarda o circuito. A capacitância mais baixa, portanto, significa maiores velocidades de retificador e freqüências operacionais mais altas. A capacitância parasita do Diodo Schottky dos pesquisadores é uma ordem de grandeza menor do que os retificadores flexíveis de última geração da atualidade, por isso é muito mais rápida na conversão de sinais e permite capturar e converter até 10 gigahertz de sinais sem fio.

“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, os retennais de hoje feitos de arsenieto de silício ou gálio, mais caro e mais caro, atingem cerca de 50 a 60%.

Há outros 15 co-autores do MIT, da Universidade Técnica de Madri, do Laboratório de Pesquisas do Exército, da Universidade Charles III de Madri, da Universidade de Boston e da Universidade do Sul da Califórnia.

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.