Перспективное технологическое решение группы ученых из Южно-Флоридского университета (город Тампа, США) способно позволить использовать радиоизлучение сетей сотовых телефонов для беспроводного питания стандартных датчиков и светодиодов. Об этом сообщает Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследователи из Южно-Флоридского университета разработали новую антенну на основе метаповерхности, которая представляет собой важный шаг к практическому использованию энергии радиоволн, в том числе таких, которые используются в сетях сотовой связи или соединениях Bluetooth. Эта технология потенциально может обеспечить беспроводное питание датчиков, светодиодов и других простых устройств с низким энергопотреблением.
«За счет отказа от проводных соединений и батарей подобные антенны могут помочь снизить затраты, повысить надежность и сделать некоторые электрические системы более эффективными», – сказал руководитель исследовательской группы Цзянфэн Чжоу. По его мнению, это стало бы наиболее полезно для питания датчиков «умного дома», таких как датчики температуры, освещения и движения, или датчиков, используемых для мониторинга конструкции зданий или мостов – мест, где замена батареи электропитания может быть затруднена или невозможна.
В журнале Optical Materials Express исследователи сообщают, что лабораторные испытания их новой антенны показали, что от маломощных радиоволн она может собирать до 100 микроватт электрической мощности, что достаточно для питания простых устройств. Это стало возможным, потому что метаматериал, используемый для изготовления антенны, демонстрирует идеальное поглощение радиоволн низкой интенсивности.
«Хотя для миниатюризации антенны требуется дополнительная работа, наше устройство преодолевает ключевой порог в 100 микроватт собранной мощности с высокой эффективностью, используя энергию окружающей среды, легко доступную в современном реальном мире. Технология также может быть адаптирована таким образом, чтобы источник радиоволн можно было использовать для питания или зарядки устройств в комнате», – сказал Клейтон Фаулер, член команды разработчиков, который участвовал в изготовлении действующего образца и выполнял измерения.
Ученые пытались извлечь энергию от радиоволн в течение довольно долгого времени, но было трудно получить достаточное количество мощности, чтобы это стало приносить пользу. Ситуация изменилась благодаря развитию метаматериалов и постоянно растущему количеству доступных источников радиочастотной энергии, таких как сети сотовой связи, Wi-Fi, GPS и сигналы Bluetooth.
«В связи с огромным взрывом технологий, основанных на радиоволнах, в мире будет много «отходов» электромагнитного излучения, которые можно было бы собрать и аккумулировать. Это, в сочетании с достижениями в области метаматериалов, создало благоприятную среду для новых устройств и приложений, которые могли бы извлечь выгоду из сбора такой отработанной энергии и ее использования», – пояснил Чжоу.
Метаматериалы используют небольшие, тщательно спроектированные структуры для взаимодействия со светом и радиоволнами, чего не происходит с природными материалами. Для изготовления антенны, собирающей энергию, исследователи использовали метаматериал, разработанный для сильного поглощения радиоволн и позволяющий более высокому напряжению проходить через диод устройства. Это повысило его эффективность при преобразовании радиоволн в энергию, особенно при низкой интенсивности.
Для лабораторных испытаний устройства размером 16*16 см исследователи измерили количество энергии, получаемой при изменении мощности и частоты источника радиосигнала в диапазоне от 0,7 до 2,0 ГГц. Они продемонстрировали способность извлекать 100 микроватт мощности из радиоволн с интенсивностью всего 0,4 микроватт на квадратный сантиметр, что примерно соответствует уровню интенсивности радиоволн на расстоянии 100 метров от вышки сотовой связи.
«Мы также разместили сотовый телефон очень близко к антенне во время телефонного звонка, и он получил достаточно энергии для питания светодиода во время разговора. Хотя было бы более практично собирать энергию с вышек сотовой связи, в целом это продемонстрировало способность антенны хорошо улавливать энергию», – отметил Чжоу.
Поскольку текущая версия антенны намного больше, чем большинство устройств, которые она потенциально могла бы питать, исследователи работают над тем, чтобы сделать ее компактнее. Они также хотели бы сделать версию, которая могла бы одновременно собирать энергию от нескольких типов радиоволн, чтобы можно было собирать больше энергии.