Convertendo sinais Wi-Fi em eletricidade com novos materiais em 2-D

Dispositivos fabricados com materiais flexíveis e baratos que podem fornecer energia para componentes eletrônicos, wearables, dispositivos móveis e muito mais.

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Pesquisadores do MIT e de outros países projetaram a primeira "rectenna" totalmente flexível e sem bateria - um dispositivo que converte energia de sinais Wi-Fi em eletricidade - que poderia ser usada para alimentar eletrônicos flexíveis e vestíveis, dispositivos médicos e sensores para "Internet das Coisas."Imagem: Christine Daniloff.Imagem: Christine Daniloff

Por Rob Matheson
Publicado no MIT News

Imagine um mundo em que celulares, computadores portáteis, wearables (“tecnologias vestíveis”) e outros eletrônicos possam ser carregados sem utilizar baterias. Pesquisadores do MIT e de outros lugares deram um passo nesta direção com o primeiro dispositivo completamente flexível que é capaz de converter a energia dos sinais Wi-Fi em eletricidade que poderia carregar eletrônicos.

Dispositivos que convertem ondas eletromagnéticas de corrente alternada (energia AC, como ondas de rádio) em eletricidade contínua (energia AC) são conhecidos como rectennas (antenas retificadoras). Os pesquisadores apresentaram um novo tipo de rectenna, descrita em um estudo da Nature publicado hoje, que usa uma antena de radiofrequência flexível que captura as ondas eletromagnéticas, como ondas AC, incluindo as ondas Wi-Fi.

A antena é então conectada a um novo dispositivo feito de um semicondutor bidimensional (2-D), tendo apenas alguns átomos de espessura. O sinal AC passa pelo semicondutor que o converte em tensão DC, que pode ser utilizado para energizar circuitos eletrônicos ou recarregar baterias.

Desta forma, o dispositivo sem bateria captura e transforma passivamente sinais Wi-Fi onipresente em energia DC utilizável. Além do mais, o dispositivo é flexível e pode ser fabricado no processo roll-to-roll (um processo de fabricação de eletrônicos com componentes flexíveis) para cobrir áreas muito grandes.

“E se pudéssemos desenvolver sistemas eletrônicos que nos permitissem envolver uma ponte ou cobrir uma rodovia inteira, ou paredes de nossos escritórios e trazer a inteligência eletrônica para tudo a nossa volta? Como você forneceria energia para esses eletrônicos?”, diz o coautor da publicação, Tomás Palacios, um professor no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e diretor do MIT/MTL Centro de Dispositivos de Grafeno e Sistema 2D no Laboratório de Tecnologia de Microssistemas. “Nós criamos uma nova forma de alimentar os sistemas eletrônicos do futuro – capturando energia Wi-Fi de uma forma que seja facilmente integrada em grandes áreas – para trazer a inteligencia para todos os objetos ao nosso redor”.

As promissoras aplicações iniciais da rectenna proposta incluem fornecer energia para eletrônicos flexíveis e vestíveis, dispositivos médicos e sensores para “internet das coisas” (IOT – Internet of Things). Telefones celulares flexíveis, por exemplo, é um novo mercado em alta para grandes empresas de tecnologia. Nos experimentos, os dispositivos dos pesquisadores podem produzir cerca de 40 microwatts de energia quando expostos a níveis típicos de sinais Wi-Fi (aproximadamente 150 microwatts). Isso é energia mais do que suficiente para ligar um LED ou acionar chips de silício.

Outra possibilidade de aplicação é fornecer energia para a transmissão de dados de dispositivos médicos implantados, diz o coautor, Jesús Grajal, um pesquisador da Universidade Técnica de Madri. Por exemplo, pesquisadores estão começando a desenvolver pílulas que podem ser engolidas por pacientes e transmitir informações sobre sua saúde para os computadores e assim fazerem o diagnóstico.

“O ideal é você não querer usar baterias para alimentar esses sistemas, porque se o lítio vazar, o paciente pode morrer”, diz Grajal. “É muito melhor captar energia do ambiente para fornecer energia para esses pequenos laboratórios dentro do corpo e transmitir a informação para computadores externos”.

Todas as rectennas dependem de um componente conhecido como “retificador“, que converte o sinal de entrada AC em energia DC. Rectennas, tradicionalmente, usam tanto silício quanto arseneto de gálio para o retificador. Esses materiais podem ser utilizados na faixa de frequência Wi-Fi, porém eles são materiais rígidos. E, embora o uso desses materiais na fabricação de pequenos dispositivos sejam relativamente baratos, usá-los para cobrir grandes áreas, como a superfície de prédios e paredes, podem acarretar em um preço proibitivo. Pesquisadores têm tentado consertar esse problema há bastante tempo. Mas as poucas rectennas flexíveis divulgadas até agora operam em baixas frequências e não capturam e convertem sinais em frequências da faixa de gigahertz, onde a maioria dos sinais de celulares e Wi-Fi estão inseridas.

Para construir seu retificador, os pesquisadores usaram um novo material 2-D chamado de dissulfeto de molibdênio (MoS2), que com três átomos de espessura é um dos semicondutores mais finos do mundo. Ao fazê-lo, a equipe aproveitou o comportamento singular do MoS2: Quando exposto a certos componentes químicos, os átomos do material se rearranjam de uma maneira que age como um interruptor, forçando uma transição de fase de um material semicondutor para um metálico. A estrutura resultante é conhecida como diodo de Schottky, que é a junção de um semicondutor e um metal.

“Ao projetar MoS2 em uma junção de fase metálica-semicondutora, nós construímos de forma atomicamente fina um diodo de Schottky ultrarápido que simultaneamente minimiza as resistências em série e as capacitâncias parasitas”, diz o primeiro autor e pós doutor da EECS, Xu Zhang, que em breve ingressará na Universidade Carnegie Mellon como professor assistente.

Capacitância parasita é um situação inevitável em eletrônica em que certos materiais armazenam pequenas cargas elétricas, o que retarda o circuito. Baixas capacitâncias, portanto, significa em um aumento da velocidade de retificação e operação em frequências mais altas. A capacitância parasita do diodo de Schottky dos pesquisadores é uma ordem de grandeza menor do que as encontradas atualmente na literatura científica de retificadores flexíveis, sendo então muito mais rápida na conversão de sinais e permite a captura e conversão de até 10 gigahertz de sinais wireless (sem fio).

“Esse design permitiu um dispositivo completamente flexível que é rápido o suficiente para cobrir a maioria das bandas de radiofrequência utilizada por nossos eletrônicos do dia a dia, incluindo Wi-Fi, Bluetooth, LTE e vários outros”, diz Zhang.

O trabalho relatado fornece planos para outros dispositivos flexíveis que transformam Wi-Fi em eletricidade com fornecimento substancialmente eficiente. A eficiência máxima de saída dos dispositivos atuais é em torno de 40%, dependendo da potência de entrada do Wi-Fi. Em uma potência típica de Wi-Fi, a eficiência do retificador de MoS2 é em torno de 30%. Para ter como referência, os rectennas atuais feitos a partir de silício ou arseneto de gálio, que são rígidos e mais caros, atingem cerca de 50% a 60%.

Existem 15 outros coautores do MIT, Technical University of Madrid, o Army Research Laboratory, Charles III University of Madrid, Boston University, and the University of Southern Calirfornia.

O time está agora planejando construir sistemas mais complexos e melhorar a eficiência. O trabalho foi possível, em parte, por uma colaboração com a Technical University of Madrid através das iniciativas do MIT International Science and Technology Initiatives (MISTI). Também foi apoiado parcialmente pelo Soldier Nanotechnologies, o Army Research Laboratory, a National Science Foundation’s Center da Integrated Quantum Materials, e da Air Force Office of Scientific Research.

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