تبدیل سیگنال‌های وای فای به الکتریسیته با استفاده از مواد جدید دو بعدی ‏

چکیده:
دنیایی را تصور کنید که گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، وسایل الکترونیکی همراه یا قابل پوشیدن بدون نیاز به باتری کار کنند. محققان در این راستا قدمهایی را برداشته‌اند آنها نخستین دستگاه کاملاً انعطاف پذیر را ساخته‌اند که می‌تواند انرژی سیگنالهای وای فای را به الکتریسته تبدیل کرده و دستگاه‌های الکترونیکی را به کار اندازد.

تعداد کلمات: 1040 / تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه

مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دیگر مؤسسات، نخستین دستگاه رکتنا (rectenna) کاملاً انعطاف پذیر و بدون نیاز به باتری را طراحی کرده‌اند که انرژی دریافتی از سیگنالهای وای فای (Wi-Fi) را به الکتریسیته تبدیل می‌سازد. این دستگاه می‌تواند به منظور به کار انداختن دستگاه‌های الکترونیکی و همراه، وسایل پزشکی و سنسورهای مورد نیاز «اینترنت اشیاء» مورد استفاده قرار گیرد.

دستگاه‌هایی که امواج الکترومغناطیسی AC (جریان متناوب) را به برق DC (جریان مستقیم) تبدیل می‌کنند، تحت عنوان «رِکتنا» شناخته می‌شوند. این محققین از نوعی رکتنای جدید پرده برداری کرده‌اند که از یک آنتن فرکانس رادیویی (RF) انعطاف پذیر به منظور دریافت امواج الکترومغناطیسی از جمله امواج حامل وای فای که ماهیت شکل موج‌های AC را دارند، استفاده می‌کند.

این آنتن سپس به یک دستگاه جدید ساخته شده از یک نیمه رسانای دو بعدی متصل می‌شود که ضخامت آن تنها به چند اتم می‌رسد. سیگنال AC از درون این نیمه رسانا عبور کرده به طوریکه آن را به ولتاژ DC تبدیل می‌سازد. در نتیجه می‌توان از آن جهت راه اندازی مدارهای الکترونیکی یا شارژ مجدد باتری‎ها استفاده نمود.

در این روش، این دستگاه بدون باتری سیگنالهای موجود در وای فای را دریافت و به برق مفید DC تبدیل می‌سازد. علاوه بر آن، این دستگاه انعطاف پذیر بوده و می‌تواند در یک فرایند رول به رول به منظور پوشش مناطقی بسیار وسیع بکار رود.

توماس پالاسیوس (Tomás Palacios) پروفسور دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر و مدیر مرکز MIT/MTL در زمینه تجهیزات گرافینی و سیستم‌های دو بعدی در آزمایشگاه‌های فناوری میکروسیستم عنوان می‌کند: «چه می‌شد اگر می‌توانستیم انواعی از سیستم‌های الکترونیکی را توسعه دهیم که بتوان به دور یک پل پیچیده یا تمام بزرگراه‌ها یا دیوارهای دفتر کارمان را با آنها بپوشانیم و هوش الکترونیکی را به تمام سطوح زندگی خود به ارمغان آوریم؟ در این صورت، انرژی مورد نیاز این ادوات الکترونیکی را چگونه تأمین سازیم؟» وی در ادامه سخنان خود عنوان می‌کند: «جهت تأمین انرژی مورد نیاز سیستم‌های الکترونیکی آینده با بهره‌برداری از انرژی وای فای به شیوه‌ای نوین دست یافته‌ایم. به این منظور که تمام اشیاء اطراف خود را هوشمند سازیم».

وسیله‌ای ساخته شده از مواد ارزان انعطاف پذیر می‌تواند وسایل پزشکی، دستگاه‌های الکترونیکی در مناطق وسیع و علاوه بر آن را به راه اندازد.از جمله وعده‌هایی که در زمینه کاربردهای اولیه رکتنای مورد نظر می‌دهند، به کار انداختن یا تأمین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی قابل انعطاف و پوشیدنی، وسایل پزشکی و سنسورهایی برای «اینترنت اشیاء» است. به عنوان مثال گوشی‌های هوشمند انعطاف پذیر بازاری داغ برای شرکتهای فناوری بزرگ به حساب می‌آیند. دستگاه این محققان در آزمایش توانست به هنگام قرار گرفتن در معرض سیگنالهای وای فای با قدرتی حدود 150 میکرووات، نیرویی به میزان 40 میکرووات تولید نماید. این انرژی بیشتر از انرژی مورد نیاز جهت روشن نمودن صفحه نمایش یک گوشی ساده یا تراشه‌های سیلیکونی است.

به گفته عیسی گراجال محقق دانشکده فنی مادرید، دیگر کاربرد احتمالی آن بکار انداختن ارتباطات داده‌ای دستگاه‌های قابل کاشت پزشکی یا ایمپلنت است. به عنوان مثال محققان شروع به تولید قرصهایی کرده‌اند که ‌می‌توانند توسط بیمار بلعیده شده و اطلاعات مربوط به سلامت فرد را به یک کامپیوتر ارسال نمایند.

به گفته گراجال: «در حالت ایده‌آل شما دوست ندارید از باتری جهت به کار انداختن این وسایل استفاده کنید، به این دلیل که در صورت نشت لیتیوم از باتری، احتمال مرگ بیمار وجود دارد.» «در این حالت بهتر است به منظور راه اندازی این لابراتوارهای کوچک درون بدن و انتقال اطلاعات به کامپیوترهای خارجی، انرژی لازم را از محیط بدست آوریم».

تمامی رکتنا‌ها به قطعه‌ای تحت عنوان رکتیفایر (rectifier‎) یا یکسوساز نیاز دارند تا سیگنال ورودی برق متناوب (AC) را به برق مستقیم (DC) تبدیل سازد.تمامی رکتنا‌ها به قطعه‌ای تحت عنوان رکتیفایر (rectifier‎) یا یکسوساز نیاز دارند تا سیگنال ورودی برق متناوب (AC) را به برق مستقیم (DC) تبدیل سازد. رکتناهای پیشین از سلیکون یا گالیوم آرسنید جهت یکسو سازی استفاده می‌کردند. این مواد می‌توانند باند وای فای را پوشش دهند اما غیر قابل انعطاف می‌باشند. و اگرچه استفاده از این مواد جهت ساخت ادوات کوچک نسبتاً ارزان تمام می‌شود، اما به کار بردن آنها جهت پوشش مناطق وسیعی مانند سطوح ساختمانها و دیوارها هزینه زیادی را می‌طلبد. محققان در حال رفع این مشکلات در دراز مدت هستند. اما چند نمونه رکتنای قابل انعطافی که تاکنون گزارش شده است، در فرکانسهای پایین عمل کرده و نمی‌توانند سیگنالهایی با فرکانسهای گیگاهرتز یعنی فرکانسی که اکثر سیگنالهای وای فای و تلفنهای همراه در آن قرار دارند را جذب و تبدیل سازند.

این محققین از یک ماده جدید دو بعدی تحت عنوان دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) جهت ساخت رکتیفایر خود استفاده کردند که ضخامت آن به سه اتم رسیده و یکی از نازک‌ترین نیمه رساناهای موجود در جهان به شمار می‌رود. برای انجام این کار، آنها این ماده را در معرض مواد شیمیایی خاصی قرار دادند، اتم‌های این ماده به گونه‌ای مجدداً چیده شدند که مانند یک سوئیچ عمل کرده بدین معنی که تبدیل فاز از یک ماده نیمه رسانا را به یک ماده فلزی میسر می‌ساخت. این ساختار تحت عنوان دیود شاتکی شناخته می‌شود که در واقع از پیوند یک نیمه رسانا با یک فلز بوجود می‌آید.

ژو ژانگ (Xu Zhang‎) دارای مدرک فوق دکتری در مهندسی برق و علوم کامپیوتر عنوان می‌کند که: «با تغییر و تبدیل MoS₂ به خواص اتصال نیمه رسانا و فلز دو بعدی، یک دیود شاتکی بسیار سریع با ساختار اتمی نازک را بوجود آوردیم که به طور همزمان مقاومت سری و ظرفیت خازنی پارازیتی را کاهش می‌دهد».

ظرفیت خازنی پارازیتی وضعیتی غیر قابل اجتناب در دستگاه‌های الکترونیکی است که در آن برخی مواد مقدار کمی شارژ الکتریکی را ذخیره کرده که مدار را آهسته می‌سازد. بنابراین ظرفیت خازنی پایین‌تر به معنای افزایش سرعت رکتیفایر و فرکانسهای عمل بالاتر است. مرتبه بزرگی ظرفیت خازنی پارازیتی دیود شاتکی محققین، کمتر از پیشرفته‌ترین یکسو کننده‌های امروزی است. بنابراین بسیار سریعتر از تبدیل یک سیگنال عمل کرده و به آن اجازه داده سیگنالهای بی سیم تا 10 گیگاهرترزی را جذب و تبدیل سازند.

به گفته ژانگ: «این طراحی به عنوان یک دستگاه کاملاً انعطاف پذیر به حساب می‌آید که از سرعت کافی جهت پوشش اکثر باندهای فرکانس رادیویی مورد استفاده در تجهیزات الکترونیکی از جمله وای فای، بلوتوث و تلفن همراه با قابلیت LTE برخوردار است».

حداکثر بازده خارجی این وسیله بسته به توان داخلی وای فای 40 درصد است. در یک وای فای عادی، بازده نیرو در رکتیفایر MoS₂ حدود 30 درصد است. بهترین رکتناهای سیلیکونی و گالیوم آرسنید امروزی ساخته شده از گالیوم آرسنید یا سیلیکون غیر قابل انعطاف و گران‌تر حدود 50 تا 60 درصد را از آن خود ساخته‌اند.

این تیم هم اکنون در تلاش بوده سیستم‌های پیچیده‌تری ساخته و کارآیی آنها را بهبود بخشند.

برگرفته از سایت sciencedaily