MIT стремится превратить сигналы Wi-Fi в полезную энергию с помощью энергосберегающего дизайна

Терагерцовые волны широко распространены в нашей повседневной жизни, и, если их использовать, то их концентрированная энергия может потенциально служить альтернативным источником энергии.

Любое устройство, посылающее сигнал Wi-Fi, также излучает терагерцовые волны - электромагнитные волны с частотой где-то между микроволнами и инфракрасным светом. Эти высокочастотные волны излучения, известные как "Т-лучи", также производятся практически всем, что регистрирует температуру, включая наше собственное тело и неодушевленные объекты вокруг нас.

Энергия от сигнал Wi-Fi

Терагерцовые волны проникают в нашу повседневную жизнь, и, если их использовать, то их концентрированная энергия потенциально может служить альтернативным источником энергии. Представьте себе, например, дополнение к мобильному телефону, которое пассивно поглощает окружающие Т-лучи и использует их энергию для зарядки телефона. Однако на сегодня терагерцевые волны являются напрасной тратой энергии, так как не существует практического способа их захвата и преобразования в любую полезную форму.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Теперь физики в MIT придумали чертеж устройства, которое, как они полагают, сможет преобразовывать окружающие терагерцовые волны в постоянный ток, форму электричества, которая питает многие бытовые электроприборы.

Их конструкция использует преимущества квантово-механического, или атомного поведения графена из углеродного материала. Они обнаружили, что, комбинируя графен с другим материалом, в данном случае нитридом бора, электроны в графене должны направлять свое движение в сторону общего направления. Любые входящие терагерцевые волны должны "перекрывать" электроны графена, как и многие крошечные регуляторы воздушного движения, чтобы протекать через материал в одном направлении, как постоянный ток.

Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Science Advances, и работают с экспериментаторами над тем, чтобы превратить их конструкцию в физическое устройство.

"Мы окружены электромагнитными волнами в терагерцевом диапазоне", - говорит ведущий автор Хироки Изобэ, постдокторант в лаборатории материаловедения Массачусетского технологического института. "Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы сможем использовать в повседневной жизни, это поможем решить энергетические проблемы, с которыми мы сейчас сталкиваемся".

В последнее десятилетие ученые искали способы сбора и преобразования энергии окружающей среды в полезную электрическую энергию. Они делали это в основном с помощью выпрямителей - устройств, которые предназначены для преобразования электромагнитных волн от их колебательного (переменного) тока в постоянный.

Большинство выпрямителей предназначены для преобразования низкочастотных волн, таких как радиоволны, используя электрическую цепь с диодами для создания электрического поля, которое может управлять радиоволнами через устройство в качестве постоянного тока. Эти выпрямители работают только до определенной частоты, и не смогли вместить терагерцового диапазона.

Несколько экспериментальных технологий, которые смогли преобразовать терагерцовые волны в постоянный ток, делают это только при сверхнизких температурах - состояниях, которые было бы сложно реализовать в практическом применении.

Вместо того, чтобы превращать электромагнитные волны в постоянный ток, применяя внешнее электрическое поле в устройстве, Изобэ задавался вопросом, можно ли на квантово-механическом уровне заставить электроны материала течь в одном направлении, чтобы направлять поступающие терагерцовые волны в постоянный ток.

Такой материал должен быть очень чистым или не содержать примесей, чтобы электроны в материале могли протекать, не рассеивая неровности материала. Он обнаружил, что графен является идеальным исходным материалом.

Чтобы направить электроны графена в одном направлении, ему пришлось бы нарушить присущую материалу симметрию, или то, что физики называют "инверсией". Обычно, электроны графена чувствуют равную силу между ними, что означает, что любая входящая энергия будет рассеивать электроны во всех направлениях, симметрично. Изобэ искал пути, чтобы сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на входящую энергию.

Просматривая литературу, он обнаружил, что другие экспериментировали с графеном, поместив его поверх слоя нитрида бора - подобной сотовой решетки из двух типов атомов - бора и азота. Они обнаружили, что при таком расположении силы между электронами графена выбиваются из равновесия: Электроны, приближенные к бору, ощущали определенную силу, в то время как электроны, приближенные к азоту, испытывали иную тягу. Общим эффектом было то, что физики называют "рассеянием наклона", при котором облака электронов наклоняли свое движение в одном направлении.

Изобэ разработал систематическое теоретическое исследование всех способов, которыми электроны в графене могут рассеиваться в сочетании с подложкой, такой как нитрид бора, и как это рассеяние электронов повлияет на любые входящие электромагнитные волны, особенно в терагерцевом диапазоне частот.

Он обнаружил, что электроны приводятся в движение входящими терагерцовыми волнами, чтобы перекосить в одном направлении, и это перекос движения генерирует постоянный ток, если графен был относительно чистым. Если бы в графене было слишком много примесей, они бы действовали как препятствия на пути электронных облаков, заставляя эти облака рассеиваться во всех направлениях, а не двигаться как единое целое.

"Со многими примесями это искаженное движение просто заканчивается колебаниями, и любая входящая терагерцовая энергия теряется из-за этого колебания", - объясняет Изобэ. "Поэтому мы хотим получить чистый образец, чтобы эффективно получить перекошенное движение."

Они также обнаружили, что чем сильнее входящая терагерцовая энергия, тем больше этой энергии устройство может преобразовывать в постоянный ток. Это означает, что любое устройство, преобразующее Т-лучи, должно также включать способ концентрирования этих волн до того, как они попадут в устройство.

Учитывая все это, исследователи разработали проект терагерцевого выпрямителя, который состоит из небольшого квадрата графена, который лежит на слое нитрида бора и зажат внутри антенны, которая будет собирать и концентрировать окружающее терагерцевое излучение, усиливая его сигнал достаточно для того, чтобы преобразовать его в постоянный ток.

"Это будет работать очень похоже на солнечный элемент, за исключением другого частотного диапазона, чтобы пассивно собирать и преобразовывать энергию окружающей среды", - говорит соавтор Лян Фу.

Команда подала патент на новую конструкцию "высокочастотного выпрямителя", и исследователи совместно с физиками-экспериментаторами из МТИ разрабатывают на основе их конструкции физическое устройство, которое должно быть способно работать при комнатной температуре, в отличие от ультрахолодных температур, которые требовались для прежних терагерцовых выпрямителей и детекторов.

"Если устройство работает при комнатной температуре, мы можем использовать его для многих портативных приложений", - говорит Изобэ.

Он считает, что в ближайшем будущем терагерцевые выпрямители могут использоваться, например, для беспроводного питания имплантатов в организме пациента, не требуя хирургического вмешательства для замены батарей имплантата. Такие устройства могут также преобразовывать окружающие Wi-Fi сигналы для зарядки персональной электроники, такой как ноутбуки и мобильные телефоны.

"Мы берем квантовый материал с некоторой асимметрией в атомном масштабе, который теперь может быть использован, что открывает множество возможностей", - говорит Фу. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet