Araştırmacılar yakın zamanda, radyo dalgalarından enerji yakalayabilen meta yüzey tabanlı yeni bir anten ortaya çıkardılar (1). Uzmanlar ayrıca grafenden enerji toplayabilen ve ayrı bir geliştirmede pilsiz başka bir güç kaynağına yol açan bir devre kurdular (2).
Hücre ağları, Bluetooth ve WiFi üzerinden daha fazla cihaz radyo frekansı sunduğundan, artık toplayabileceğimiz çok fazla elektromanyetik emisyon var. Meta malzemeye dayalı bu yeni anten, 100 metreye kadar radyo dalgalarından yaklaşık 100 mikrowatt güç toplayabilir.
Bu arada, grafenin termal hareketinden enerji toplayan ve bunu elektrik akımına dönüştüren devre, küçük sensörler ve cihazlar için düşük voltajlı güç üretebilir.
Genel olarak, her iki gelişme de 2027 yılına kadar giyilebilir ürünler gibi düşük güçlü ürünler için geleneksel pilleri grafen veya radyo destekli sensörlerle değiştirebilecek.
Ayrıca Oku: Yükselen Trendler: Giyilebilir Doğum Kontrolü, Basılı Medya ve 3. Taraf Pazar Yerleri
Metasurface Tabanlı Anten
Araştırmacılar, Bluetooth bağlantılarında veya cep telefonu ağlarında kullanılanlar gibi radyo dalgalarından enerji toplamayı pratik hale getirme yolunda önemli bir adımı temsil eden yeni bir meta-yüzey tabanlı anten inşa ettiler.
Bu teknoloji, düşük enerjiye ihtiyaç duyan küçük cihazlara, LED'lere ve sensörlere kablosuz güç sunabilir.
Güney Florida Üniversitesi'nden araştırma ekibi lideri Jiangfeng Zhou, "Pilleri ve kablolu bağlantıları çıkararak, bu metasurface tabanlı antenler elektrik sistemlerini daha verimli hale getiriyor, maliyetleri düşürüyor ve güvenilirliği artırıyor" dedi.3, 4). “Akıllı evlerde aydınlatma, sıcaklık ve hareket için kullanılanlar gibi sensörlere güç sağlamak için özellikle faydalı olacaktır. Ayrıca, pil değiştirmenin zor olabileceği köprüleri veya bina yapılarını izlemek için kullanılan sensörlerdeki uygulamaları da görüyoruz.”
Bu gelişmenin arkasındaki araştırmacılar dergide bildirdi Optik Malzeme Ekspresi (5) antenlerinin laboratuar testleri, düşük güçlü radyo dalgaları kullanan basit cihazlara güç sağlamak için yeterli olan 100 mikrowatt'a kadar güç üretebileceğini gösterdi.
Anteni yapmak için kullanılan meta malzeme radyo dalgalarının ~%100 emilimi sergilediği ve düşük yoğunluklar için tasarlandığı için bu mümkün olmuştur.
Numuneyi üreten ve ölçümleri gerçekleştiren Clayton Fowler, "Anteni minyatürleştirmek için daha fazla çalışma gerekmesine rağmen, ürünlerimiz gerçek dünyada görülen ortam güç seviyelerini kullanarak yüksek verimlilikle üretilen 100 mikrowatt'lık önemli bir eşiği aşıyor" dedi. (6, 7). "Ayrıca, bir odadaki cihazlarımızı çalıştırmak veya şarj etmek için radyo dalgalarını bir kaynak olarak kullanmak için teknolojiyi benimseyebiliriz."
Ayrıca Oku: 5G Teknolojisi: Avantajlar, Gerçekler, Endişeler ve Efsaneler
Havadan Enerji Yakalamak
Bilim adamları uzun süredir radyo dalgalarından enerji toplamaya çalışıyorlar, ancak faydalı olmak için yeterli enerjiyi elde etmenin zor olduğu kanıtlandı. Bu, metamalzemeler ve cep telefonu ağları, WiFi, GPS ve Bluetooth sinyalleri gibi sürekli artan sayıda ortam radyo frekansı enerji kaynakları sayesinde değişiyor.
Zhou, “Radyo dalgası tabanlı teknolojilerin muazzam artışıyla toplanabilecek çok fazla elektromanyetik atık emisyonu olacak” dedi. "Bu, metamalzemelerdeki atılımlarla birlikte, atık enerjiyi yakalamak ve kullanmaktan fayda sağlayabilecek yeni aygıtlar ve uygulamalar için verimli bir zemin yarattı."
Metamalzemelerdeki küçük, özenle oluşturulmuş yapılar, ışık ve radyo dalgalarıyla doğal materyallerin yapmadığı şekilde etkileşime girer. Araştırmacılar, enerji toplayan anteni oluşturmak için cihazın diyotundan daha büyük bir voltajın akmasına izin veren, radyo dalgalarının yüksek oranda emilmesine yönelik bir meta malzeme kullandılar. Özellikle düşük yoğunluklarda radyo dalgalarını elektriğe dönüştürmede verimini artırdı.
Ayrıca Oku: Hindistan'ın Muazzam Mobil Büyümesinden Yararlanmak için Kazançlı Fırsatlar
Ortam Gücü Seviyeleri Testi
Araştırmacılar, 0.7 cm x 2.0 cm ölçülerindeki cihazın laboratuvar testleri için radyo kaynak gücü ve frekansı 16 ile 16 GHz arasında ayarlanırken toplanan güç miktarını değerlendirdi.
Santimetre kare başına yalnızca 100 mikrowatt yoğunlukta radyo dalgalarından 0.4 mikrowatt elektrik yakalama yeteneğini gösterdiler. Bir cep telefonu kulesinden 100 metre mesafedeki radyo dalgalarının gücüyle hemen hemen aynı.
Zhou, "Bir telefon görüşmesi sırasında, antene oldukça yakın bir cep telefonu yerleştirdik ve bir LED'e güç sağlamak için yeterli enerji topladı" dedi. "Cep telefonu kulelerinden enerji toplamak daha pratik olsa da, bu antenin güç toplama potansiyelini ortaya çıkardı."
Araştırmacılar, güç verebileceği çoğu cihazdan çok daha büyük olduğu için anteni küçültmeyi hedefliyor. Ayrıca, birçok radyo dalgasından aynı anda enerji toplayarak daha fazla enerji toplamalarını sağlayan bir sürüm oluşturmak istiyorlar (8).
Ve araştırmacıların benzer bir şeyi ilk kez denedikleri de değil.
Ayrıca Oku: G Kullanıma Sunulması, IoT Endüstrisine Etkisi ve Yeni Fırsatların Yükselişi
Elektromanyetik Dalgaları Kullanılabilir Güce Dönüştürmek için Enerji Hasat Planı
2020'de MIT'deki fizikçiler, bir dizi elektromanyetik frekans dalgasını, implantlara ve diğer ev elektroniklerine güç sağlayabilecek DC'ye (doğru akım) dönüştüreceğine inandıkları bir kararın taslağını çıkardılar.9).
Konseptleri, karbon maddesi grafenin kuantum mekanik veya atomik doğasından yararlanır. Grafenin başka bir malzemeyle, bu durumda bor nitrürle karıştırılmasının, grafen elektronlarının hareketlerini aynı yönde eğmesine neden olduğunu keşfettiler.
Gelen herhangi bir terahertz dalgası, grafenin elektronlarını, tıpkı birkaç küçük hava trafik kontrolörü gibi, doğru akım olarak malzeme boyunca tek bir yönde hareket etmek için "mekik" etmelidir.
Araştırmacılar gözlemlerini yayınladılar. Bilim Gelişmeler ve fikirlerini çalışan bir prototipe dönüştürmek için deneycilerle birlikte çalışın.
MIT Malzeme Araştırma Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacı olan baş bilim adamı Hiroki Isobe, “Terahertz elektromanyetik dalgaları bizi çevreliyor” diye açıklıyor (10). Bu enerjiyi günlük hayatımızda kullanabileceğimiz bir güç kaynağına dönüştürebilirsek, bu mevcut enerji endişelerini çözmemize yardımcı olacaktır” dedi.
Eski bir MIT doktora sonrası doktorası, şimdi Harvard Üniversitesi'nde kimya profesörü olan Liang Fu ve şu anda Harvard Üniversitesi'nde kimya alanında yardımcı doçent olan eski MIT doktora sonrası Su-yang Xu, Isobe'nin ortak yazarlarıdır.
Terahertz doğrultucuların, bir hastanın vücudundaki implantlara kablosuz olarak güç sağlamak için yakında kullanılabileceğine ve implantın pillerini değiştirmek için ameliyat ihtiyacına son verebileceğine inanıyor. Bu tür cihazlar, ortam WiFi sinyallerini akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar gibi kişisel elektronik cihazlara güç sağlamak için dönüştürebilir (11).
Ayrıca Oku: Düşük Kodlu ve Kodsuz Platformlarla Teknoloji Dünyasının Demokratikleşmesi
Grafenden “Sınırsız” ve Temiz Güç Üreten Devre
Geçen ay, Arkansas Üniversitesi'ndeki fizikçilerden oluşan bir ekip, grafenin termal hareketini yakalayabilen ve onu elektrik akımına dönüştürebilen bir devre inşa etmişti (12).
Fizik profesörü ve baş araştırmacı Paul Thibado, “Sensörler ve küçük cihazlar için temiz, sonsuz, düşük voltajlı güç sağlamak için bir çip üzerine grafen bazlı bir enerji toplama devresi yerleştirilebilir” dedi.13).
Dergide yayınlanan “Serbest duran grafenden dalgalanma kaynaklı akım” başlıklı çalışma sonuçları Fiziksel İnceleme E (14), Arkansas Üniversitesi'ndeki fizikçiler tarafından üç yıl önce geliştirilen, bağımsız grafen, tek bir karbon atomu tabakası, dalgalanmalar ve enerji toplamak için kullanılabilecek bir şekilde bükülen bir teoriyi desteklemektedir.
Grafenden enerji yakalama fikri, fizikçi Richard Feynman'ın, Brown hareketi olarak bilinen atomların termal hareketlerinden dolayı iş yapamayacaklarına dair iyi bilinen iddiasıyla çeliştiği için tartışmalıdır.15).
Oda sıcaklığında, Thibado'nun ekibi, grafenin termal hareketinin bir devrede alternatif bir akım (AC) indüklediğini gözlemledi; bu, daha önce ulaşılamaz kabul edilen bir başarıydı.
Takımın bir sonraki hedefi, DC'nin bir kapasitörde depolanıp depolanamayacağını ve daha sonra devrenin minyatürleştirilmesini ve bir silikon gofret veya çip üzerinde modellenmesini gerektirip gerektirmediğini görmek. Bu küçük devrelerden milyonlarca 1 milimetreye 1 milimetrelik bir çip üzerinde oluşturulabilir ve düşük güçlü pillerin yerini almak için kullanılabilir.
Ayrıca Oku: Sağlık Teknolojisi Devrimi, Diyabet Uygulamaları Pazarı ve Yükselen Trendler
Gelecek
Termostatlarda, harekete duyarlı aydınlatmada, karbon monoksit dedektörlerinde ve yangın alarmlarında kullanılan akıllı ev sensörleri, bu gelişmelerden faydalanarak maliyetleri düşürebilir ve verimliliği artırabilir.
Her iki ekip için de bir sonraki adım, teknolojilerini silikon bir gofrete veya bir yangın alarmına uyacak şekilde küçültmektir. Bu buluşların her ikisi de, sensörlerin gelecekte şu anda pil veya kablolarla çalışan daha fazla cihazın yerini alacağını gösteriyor.
Küçük cihazlarda daha az pil bulunurken, pilli olanlar kablosuz olarak şarj edilebilir. Giyilebilir cihazlar, güvenlik kameraları ve LED panellerin tümü yakın gelecekte WiFi veya 5G bağlantınız tarafından desteklenebilir.
