Mata kita disetel hanya ke pita sempit dengan kemungkinan panjang gelombang radiasi elektromagnetik, pada urutan 390-700 nanometer. Jika Anda dapat melihat dunia pada panjang gelombang yang berbeda, Anda akan tahu bahwa di daerah perkotaan Anda diterangi bahkan dalam gelap - radiasi infra merah, gelombang mikro, dan gelombang radio ada di mana-mana. Sebagian radiasi elektromagnetik dari lingkungan ini dipancarkan oleh benda-benda yang menyebarkan elektronnya ke mana-mana, dan sebagian lagi membawa sinyal radio dan Wi-Fi yang mendasari sistem komunikasi kita. Semua radiasi ini juga membawa energi.
Bagaimana jika kita dapat memanfaatkan energi gelombang elektromagnetik?
Para peneliti di Massachusetts Institute of Technology mempresentasikan sebuah studi yang muncul di jurnal Nature yang merinci bagaimana mereka sampai pada implementasi praktis dari tujuan ini. Mereka mengembangkan perangkat pertama yang dapat ditekuk sepenuhnya yang dapat mengubah energi dari sinyal Wi-Fi menjadi listrik DC yang dapat digunakan.
Perangkat apa pun yang dapat mengubah sinyal AC menjadi arus searah (DC) disebut antena penyearah. Antena mengambil radiasi elektromagnetik, mengubahnya menjadi arus bolak-balik. Kemudian melewati dioda, yang mengubahnya menjadi arus searah untuk digunakan dalam rangkaian listrik.
Rectennas pertama kali diusulkan pada 1960-an dan bahkan digunakan untuk mendemonstrasikan model helikopter bertenaga gelombang mikro pada tahun 1964 oleh penemu William Brown. Pada tahap ini, para futuris sudah memimpikan transmisi energi nirkabel jarak jauh dan bahkan penggunaan rectennas untuk mengumpulkan energi matahari luar angkasa dari satelit dan mengirimkannya ke Bumi.
Rectenna optik
Video promosi:
Saat ini, teknologi baru untuk bekerja pada skala nano memungkinkan banyak hal baru. Pada 2015, para peneliti di Institut Teknologi Georgia merakit rectenna optik pertama yang mampu menangani frekuensi tinggi dalam spektrum yang terlihat dari tabung nano karbon.
Sejauh ini, rectennas optik baru ini memiliki efisiensi yang rendah, sekitar 0,1 persen, sehingga tidak dapat bersaing dengan peningkatan efisiensi panel surya fotovoltaik. Tetapi batas teoritis untuk sel surya berbasis rektena mungkin lebih tinggi dari batas Shockley-Kuisser untuk sel surya, dan dapat mencapai 100% jika diterangi dengan radiasi frekuensi tertentu. Ini memungkinkan transmisi daya nirkabel yang efisien.
Bagian baru dari perangkat, yang diproduksi oleh MIT, memanfaatkan antena RF fleksibel yang dapat menangkap panjang gelombang yang terkait dengan sinyal Wi-Fi dan mengubahnya menjadi arus bolak-balik. Kemudian, alih-alih dioda tradisional untuk mengubah arus tersebut menjadi DC, perangkat baru menggunakan semikonduktor "dua dimensi" yang hanya setebal beberapa atom, menciptakan tegangan yang dapat digunakan untuk memberi daya pada perangkat yang dapat dikenakan, sensor, perangkat medis, atau elektronik area luas.
Rektena baru terdiri dari bahan dua dimensi (2D) - molibdenum disulfida (MoS2), yang tebalnya hanya tiga atom. Salah satu sifatnya yang luar biasa adalah pengurangan kapasitansi parasit - kecenderungan material dalam rangkaian listrik untuk bertindak sebagai kapasitor yang menampung sejumlah muatan. Dalam elektronika DC, hal ini dapat membatasi kecepatan konverter sinyal dan kemampuan perangkat untuk merespons frekuensi tinggi. Rektena molibdenum disulfida baru memiliki urutan kapasitansi parasit yang besarnya lebih rendah daripada yang dikembangkan sejauh ini, yang memungkinkan perangkat untuk menangkap sinyal hingga 10 GHz, termasuk dalam jangkauan perangkat Wi-Fi biasa.
Sistem seperti itu akan memiliki lebih sedikit masalah dengan baterai: siklus hidupnya akan lebih lama, perangkat listrik akan diisi oleh radiasi sekitar dan tidak perlu membuang komponen, seperti halnya dengan baterai.
“Bagaimana jika kita dapat mengembangkan sistem elektronik yang akan mengelilingi jembatan atau yang akan menutupi seluruh jalan raya, dinding kantor kita, dan memberikan kecerdasan elektronik untuk segala sesuatu yang mengelilingi kita? Bagaimana Anda akan memberdayakan semua elektronik ini?”Tanya rekan penulis Thomas Palacios, profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer di Massachusetts Institute of Technology. "Kami telah menemukan cara baru untuk memberdayakan sistem elektronik di masa depan."
Penggunaan material 2D memungkinkan elektronik fleksibel diproduksi dengan harga murah, berpotensi memungkinkan kami menempatkannya di area yang luas untuk mengumpulkan radiasi. Perangkat fleksibel dapat digunakan untuk melengkapi museum atau permukaan jalan, dan akan jauh lebih murah daripada menggunakan rectennas dari semikonduktor silikon atau gallium arsenide tradisional.
Bisakah saya mengisi daya ponsel saya dari sinyal Wi-Fi?
Sayangnya, pilihan ini tampaknya sangat tidak mungkin, meskipun selama bertahun-tahun topik "energi bebas" telah berulang kali menipu orang. Masalahnya terletak pada kepadatan energi sinyal. Daya maksimum yang dapat digunakan hotspot Wi-Fi tanpa lisensi siaran khusus biasanya 100 miliwatt (mW). 100 mW ini meradiasi ke segala arah, menyebar di atas permukaan bola yang berpusat pada AP.
Sekalipun ponsel Anda mengumpulkan semua daya ini dengan efisiensi 100 persen, masih perlu waktu berhari-hari untuk mengisi daya baterai iPhone, dan jarak kecil ponsel serta jarak ke hotspot akan sangat membatasi jumlah energi yang dapat dikumpulkan dari sinyal ini. Perangkat baru MIT akan dapat menangkap sekitar 40 mikrowatt daya saat terpapar dengan kepadatan Wi-Fi khas 150 mikrowatt: tidak cukup untuk menyalakan iPhone, tetapi cukup untuk layar sederhana atau sensor nirkabel jarak jauh.
Karena alasan ini, kemungkinan besar pengisian nirkabel untuk gadget yang lebih besar akan mengandalkan pengisian daya induksi, yang sudah dapat memberi daya perangkat hingga satu meter jika tidak ada apa pun di antara pengisi daya nirkabel dan objek pengisian daya.
Namun, energi RF di sekitarnya dapat digunakan untuk memberi daya pada jenis perangkat tertentu - menurut Anda bagaimana radio Soviet bekerja? Dan Internet of Things yang akan datang pasti akan menggunakan model makanan ini. Tetap hanya untuk membuat sensor dengan konsumsi daya rendah.
Penulis bersama Jesús Grajal dari Universitas Teknik Madrid melihat potensi penggunaan dalam perangkat medis implan: pil yang dapat ditelan pasien akan mentransfer data kesehatan kembali ke komputer untuk diagnosis. "Idealnya, kami tidak ingin menggunakan baterai untuk memberi daya pada sistem seperti itu, karena jika dibiarkan melalui litium, pasien bisa meninggal," kata Grajal. "Jauh lebih baik untuk memanen energi dari lingkungan untuk memberi daya pada laboratorium kecil di dalam tubuh dan mengirimkan data ke komputer eksternal."
Efisiensi perangkat saat ini sekitar 30-40% dibandingkan dengan 50-60% untuk rectennas tradisional. Seiring dengan konsep seperti piezoelektrik (bahan yang menghasilkan listrik ketika diremas atau diregangkan secara fisik), listrik yang dihasilkan oleh bakteri dan panas lingkungan, listrik "nirkabel" mungkin saja menjadi salah satu sumber daya untuk mikroelektronika di masa depan.
Ilya Khel
