Nossos olhos estão sintonizados apenas em uma faixa estreita de possíveis comprimentos de onda de radiação eletromagnética, da ordem de 390-700 nanômetros. Se você pudesse ver o mundo em diferentes comprimentos de onda, saberia que em uma área urbana você é iluminado até no escuro - radiação infravermelha, microondas e ondas de rádio estão por toda parte. Parte dessa radiação eletromagnética do ambiente é emitida por objetos que espalham seus elétrons por todo o lugar, e alguns carregam os sinais de rádio e Wi-Fi que sustentam nossos sistemas de comunicação. Toda essa radiação também carrega energia.
E se pudéssemos aproveitar a energia das ondas eletromagnéticas?
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts apresentaram um estudo publicado na revista Nature detalhando como eles chegaram à implementação prática desse objetivo. Eles desenvolveram o primeiro dispositivo totalmente dobrável que pode converter energia de sinais Wi-Fi em eletricidade CC utilizável.
Qualquer dispositivo que pode converter sinais AC em corrente contínua (DC) é chamado de antena retificadora. A antena capta a radiação eletromagnética, convertendo-a em corrente alternada. Em seguida, passa por um diodo, que o converte em corrente contínua para uso em circuitos elétricos.
Rectennas foram propostas pela primeira vez na década de 1960 e até foram usadas para demonstrar um modelo de helicóptero movido a microondas em 1964 pelo inventor William Brown. Nesta fase, os futuristas já sonhavam com a transmissão sem fio de energia por longas distâncias e até mesmo com o uso de retenas para coletar energia solar espacial de satélites e transmiti-la para a Terra.
Reta ótica
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Hoje, novas tecnologias para trabalhar em nanoescala permitem muitas coisas novas. Em 2015, pesquisadores do Georgia Institute of Technology montaram a primeira retena óptica capaz de lidar com altas frequências no espectro visível de nanotubos de carbono.
Até agora, essas novas retenas ópticas têm baixa eficiência, em torno de 0,1 por cento e, portanto, não podem competir com a eficiência crescente dos painéis solares fotovoltaicos. Mas o limite teórico para células solares baseadas em retena é provavelmente maior do que o limite de Shockley-Kuisser para células solares e pode chegar a 100% quando iluminadas com radiação de uma certa frequência. Isso permite uma transmissão de energia sem fio eficiente.
A nova parte do dispositivo, fabricada pelo MIT, aproveita a vantagem de uma antena RF flexível que pode capturar comprimentos de onda associados a sinais de Wi-Fi e convertê-los em corrente alternada. Então, em vez de um diodo tradicional para converter essa corrente em DC, o novo dispositivo usa um semicondutor "bidimensional" com apenas alguns átomos de espessura, criando uma voltagem que pode ser usada para alimentar dispositivos vestíveis, sensores, dispositivos médicos ou eletrônicos de grande área.
Os novos retênios são compostos de materiais bidimensionais (2D) - dissulfeto de molibdênio (MoS2), que tem apenas três átomos de espessura. Uma de suas propriedades notáveis é a redução da capacitância parasita - a tendência dos materiais nos circuitos elétricos de agirem como capacitores, mantendo uma certa quantidade de carga. Na eletrônica CC, isso pode limitar a velocidade dos conversores de sinal e a capacidade dos dispositivos de responder a altas frequências. Os novos retênios de dissulfeto de molibdênio têm uma capacitância parasitária ordem de magnitude menor do que os desenvolvidos até agora, o que permite ao dispositivo capturar sinais de até 10 GHz, inclusive na faixa de dispositivos wi-fi típicos.
Tal sistema teria menos problemas com baterias: seu ciclo de vida seria muito mais longo, aparelhos elétricos seriam carregados pela radiação ambiente e não haveria necessidade de descarte de componentes, como é o caso das baterias.
“E se pudéssemos desenvolver sistemas eletrônicos que envolvessem uma ponte ou que cobrissem uma rodovia inteira, as paredes de nosso escritório, e dessem inteligência eletrônica a tudo que nos rodeia? Como você vai alimentar toda essa eletrônica?”, Pergunta o co-autor Thomas Palacios, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Criamos uma nova maneira de alimentar os sistemas eletrônicos do futuro."
O uso de materiais 2D permite que eletrônicos flexíveis sejam produzidos de forma barata, potencialmente nos permitindo colocá-los em grandes áreas para coletar radiação. Dispositivos flexíveis poderiam ser usados para equipar um museu ou a superfície de uma estrada, e seria muito mais barato do que usar retenas feitas de silício tradicional ou semicondutores de arseneto de gálio.
Posso carregar meu telefone com sinais de Wi-Fi?
Infelizmente, essa opção parece altamente improvável, embora ao longo dos anos o tópico da "energia livre" tenha enganado as pessoas continuamente. O problema está na densidade de energia dos sinais. A potência máxima que um ponto de acesso Wi-Fi pode usar sem uma licença de transmissão dedicada é normalmente de 100 miliwatts (mW). Esses 100mW irradiam em todas as direções, espalhando-se pela área de superfície de uma esfera centrada no AP.
Mesmo se o seu telefone móvel coletasse toda essa energia com 100 por cento de eficiência, ainda levaria dias para carregar a bateria do iPhone, e o tamanho pequeno do telefone e a distância até o ponto de acesso limitariam severamente a quantidade de energia que ele poderia coletar desses sinais. O novo dispositivo do MIT será capaz de capturar cerca de 40 microwatts de energia quando exposto a uma densidade típica de Wi-Fi de 150 microwatts: não o suficiente para alimentar um iPhone, mas o suficiente para um display simples ou sensor remoto sem fio.
Por esse motivo, é muito mais provável que o carregamento sem fio para dispositivos maiores dependa do carregamento por indução, que já é capaz de alimentar dispositivos a até um metro de distância se não houver nada entre o carregador sem fio e o objeto de carregamento.
No entanto, a energia de RF circundante pode ser usada para alimentar certos tipos de dispositivos - como você acha que os rádios soviéticos funcionavam? E a próxima Internet das Coisas definitivamente usará esses modelos de alimentos. Resta apenas criar sensores com baixo consumo de energia.
O co-autor Jesús Grajal, da Universidade Técnica de Madrid, vê uso potencial em dispositivos médicos implantáveis: uma pílula que um paciente pode engolir transferirá dados de saúde de volta para um computador para diagnóstico. “Idealmente, não gostaríamos de usar baterias para alimentar esses sistemas, porque se deixassem passar o lítio, o paciente poderia morrer”, diz Grajal. "É muito melhor colher energia do meio ambiente para alimentar esses pequenos laboratórios dentro do corpo e transmitir dados para computadores externos."
A eficiência do dispositivo atual é de cerca de 30-40%, em comparação com 50-60% para retenas tradicionais. Junto com conceitos como piezoeletricidade (materiais que geram eletricidade quando fisicamente espremidos ou esticados), eletricidade gerada por bactérias e calor ambiental, a eletricidade "sem fio" pode muito bem se tornar uma das fontes de energia para a microeletrônica do futuro.
Ilya Khel
