Sin duda la tecnología avanza a pasos agigantados y pronto podríamos tener un futuro sin tantos cables.
Imagine un mundo donde los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles, los wearables y otros aparatos electrónicos funcionan sin baterías. Investigadores del MIT y otros lugares han dado un paso en esa dirección, con el primer dispositivo totalmente flexible que puede convertir la energía de las señales WiFi en electricidad que podría alimentar nuestros productos electrónicos.
Los dispositivos que convierten las ondas electromagnéticas de CA en electricidad de CC se conocen como “rectennas”. En un estudio publicado recientemente en Nature, los investigadores demuestran un nuevo tipo de rectenna que utiliza una antena de radiofrecuencia (RF) flexible que captura ondas electromagnéticas – Incluyendo aquellos que llevan WiFi – como formas de onda AC.
Luego, la antena se conecta a un nuevo dispositivo hecho de un semiconductor bidimensional de apenas unos pocos átomos de espesor. La señal de CA viaja hacia el semiconductor, que lo convierte en un voltaje de CC que se puede usar para alimentar circuitos electrónicos o recargar baterías.
De esta manera, el dispositivo sin batería captura y transforma pasivamente las señales de WiFi ubicuas en una fuente de alimentación de CC útil. Además, el dispositivo es flexible y se puede fabricar en un proceso de rollo a rollo para cubrir áreas muy grandes.
“¿Qué pasaría si pudiéramos desarrollar sistemas electrónicos que envolvemos alrededor de un puente o cubrir una carretera completa, o las paredes de nuestra oficina y llevar inteligencia electrónica a todo lo que nos rodea? ¿Cómo suministras energía para esos aparatos electrónicos? ”, Dice el coautor del artículo, Tomás Palacios, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
“Hemos ideado una nueva forma de potenciar los sistemas electrónicos del futuro, mediante la recolección de energía WiFi de una manera que se integra fácilmente en grandes áreas, para llevar inteligencia a cada objeto que nos rodea”.
Experimentos
En experimentos, el dispositivo de los investigadores puede producir alrededor de 40 microwatts de potencia cuando se expone a los niveles de potencia típicos de las señales WiFi (alrededor de 150 microwatts). Eso es más que suficiente potencia para encender un LED o impulsar chips de silicona.
Las primeras aplicaciones prometedoras para el rectenna propuesto incluyen el suministro de dispositivos electrónicos, dispositivos médicos y sensores flexibles y portátiles para el “internet de las cosas”. Los teléfonos inteligentes flexibles, por ejemplo, son un nuevo mercado para las principales empresas de tecnología.
Otra posible aplicación es potenciar las comunicaciones de datos de dispositivos médicos implantables, dice el coautor Jesús Grajal, investigador de la Universidad Técnica de Madrid. Por ejemplo, los investigadores están comenzando a desarrollar píldoras que pueden ser ingeridas por los pacientes y transmitir datos de salud a una computadora para realizar diagnósticos.
“Lo ideal es que no quiera usar baterías para alimentar estos sistemas, porque si pierden litio, el paciente podría morir”, dice Grajal. “Es mucho mejor recolectar energía del ambiente para encender estos pequeños laboratorios dentro del cuerpo y comunicar datos a computadoras externas”.
Todas las rectas se basan en un componente conocido como “rectificador”, que convierte la señal de entrada de CA en corriente continua. Las rectas tradicionales usan arseniuro de silicio o galio para el rectificador. Estos materiales pueden cubrir la banda WiFi, pero son rígidos. Y, aunque el uso de estos materiales para fabricar dispositivos pequeños es relativamente económico, usarlos para cubrir vastas áreas, como las superficies de edificios y paredes, sería un costo prohibitivo. Los investigadores han estado tratando de solucionar estos problemas durante mucho tiempo. Pero los pocos rectenes flexibles informados hasta ahora operan a bajas frecuencias y no pueden capturar y convertir señales en frecuencias de gigahercios, donde se encuentran la mayoría de las señales de teléfonos celulares y WiFi relevantes.
Diseño
Para construir su rectificador, los investigadores utilizaron un nuevo material 2-D llamado disulfuro de molibdeno (MoS2), que con tres átomos de espesor es uno de los semiconductores más finos del mundo. Al hacerlo, el equipo aprovechó un comportamiento singular de MoS2: cuando se exponen a ciertos químicos, los átomos del material se reorganizan de una manera que actúa como un interruptor, forzando una transición de fase de un semiconductor a un material metálico. La estructura resultante se conoce como un diodo Schottky, que es la unión de un semiconductor con un metal.
“Al diseñar MoS2 en una unión de fase semiconductora 2-D metálica, construimos un diodo Schottky ultra delgado y atómico que minimiza simultáneamente la resistencia en serie y la capacitancia parásita”, dice el primer autor y postdocto de EECS Xu Zhang.
La capacitancia parasitaria es una situación inevitable en la electrónica donde ciertos materiales almacenan un poco de carga eléctrica, lo que ralentiza el circuito. Por lo tanto, una menor capacitancia significa mayores velocidades del rectificador y mayores frecuencias de operación. La capacidad parásita del diodo Schottky de los investigadores es un orden de magnitud más pequeño que los rectificadores flexibles de vanguardia de hoy en día, por lo que es mucho más rápida en la conversión de señales y le permite capturar y convertir hasta 10 gigahercios de señales inalámbricas.
“Este diseño ha permitido un dispositivo completamente flexible que es lo suficientemente rápido para cubrir la mayoría de las bandas de radiofrecuencia utilizadas por nuestros dispositivos electrónicos diarios, como WiFi, Bluetooth, LTE celular y muchos otros”, dice Zhang.
El trabajo reportado proporciona planos para otros dispositivos flexibles de WiFi a electricidad con una producción y eficiencia sustanciales. La eficiencia de salida máxima para el dispositivo actual es del 40%, dependiendo de la potencia de entrada del WiFi. En el nivel típico de potencia de WiFi, la eficiencia energética del rectificador MoS2 es aproximadamente del 30%. Como referencia, las rectas actuales hechas de arsiuro de silicio o galio rígido y más costoso alcanzan alrededor del 50 al 60%.
El equipo ahora planea construir sistemas más complejos y mejorar la eficiencia.
