Мы живем в мире, полном невидимой энергии. Многочисленные радиовещательные и телевизионные станции, системы сотовой и спутниковой связи – все они являются источниками электромагнитного излучения, энергии, использовать которую до недавнего времени никто не умел. Однако недавно ученые Технологического Института штата Джорджия нашли способ, позволяющий «собирать» из воздуха электромагнитное излучение и использовать его для питания мелких электронных устройств – беспроводных сенсоров, микропроцессоров и миниатюрных передатчиков.

Презентация устройства состоялась 6 июля на симпозиуме IEEE («Antennas and Propagation Symposium») в городе Спокан, штат Вашингтон. Спонсорами пятилетнего исследования выступали Национальный научный фонд, Федеральное управление автомобильных дорог (США) и японская Организация по разработке новой энергетической и промышленной технологии (НЕДО).

Ведущий исследователь, профессор Факультета электротехники и вычислительной техники Технологического Института штата Джорджия Манос Тентзериз (Manos Tentzeris) заявил, что «сверхширокополосная антенна позволила использовать сигналы, относящиеся к разным частотным диапазонам», а значит – получать на выходе больше энергии, чем это когда-либо было возможно.

Источники электромагнитного излучения – к примеру, устройства связи – приспособлены для передачи энергии в разнообразных частотных диапазонах. Исследователи научились использовать для получения электроэнергии электромагнитные излучения в довольно широком диапазоне частот, от 100 МГц до 15 ГГц и выше (от радиоволн FM-диапазона до используемых в работе радаров). Новое устройство позволяет «собирать» эту энергию из воздуха, преобразуя переменный ток в постоянный, и передавая для хранения на конденсатор либо батарею.

Изготовление и эффективность

Устройства, позволяющие улавливать, «собирать» и хранить электромагнитную энергию, создаются нанесением на бумажную или гибко-полимерную подложку электрических компонентов и микросхем. На выходе получаем дешевые энергетически автономные беспроводные сенсоры, которые можно использовать где угодно. Для создания подобного чуда используется обычный струйный принтер, а главный секрет изготовителей заключается в «уникальном рецепте собственного производства», регламентирующем добавление в эмульсию серебряных и/или других наночастиц. Выбранный метод позволяет команде ученых «печатать» не только радиочастотные компоненты и схемы, но и новейшие датчики на основе наноматериалов (углеродных нанотрубок).

Новое изобретение доказало свою эффективность уже в нескольких экспериментах. В частности, исследователям удалось извлечь из полосы частот телевизионных каналов пару сотен микроватт энергии. Ученые уверены, что многополосные системы позволят производить более одного милливатта энергии, что вполне достаточно для питания мелких электронных устройств вроде сенсоров и микропроцессоров. А дополнив технологию конденсаторами большой мощности и введением циклического режима работы, команда Технологического Института штата Джорджия рассчитывает запитать даже те устройства, для работы которых требуется более 50 милливатт энергии. В таком варианте энергия накапливается в конденсаторе и используется по достижении необходимого уровня мощности.

Преимущества изобретения

В одном из экспериментов ученые успешно запитали температурные датчики от электромагнитного излучения телевизионной станции, находившейся за полкилометра от места проведения опыта. Вскоре они планируют продемонстрировать работу микропроцессорного управляющего устройства, приводимого в действие одним только нахождением в воздухе.

Манос Тентзериз пояснил, что использование широкого частотного диапазона электромагнитного излучения позволяет устройству меньше зависеть от обстоятельств. Так, если один из частотных диапазонов на время исчезает, система по-прежнему сможет использовать остальные частоты.

Также устройство сможет использоваться совместно с другими технологиями производства энергии. К примеру, собранная энергия могла бы способствовать зарядке батарей от солнечных элементов на протяжении дня, а ночью, когда солнечные панели не работают, она же могла бы продолжать накопление заряда батареи, или, по крайней мере, предотвращать ее разрядку. Нелишним было бы и поддержание резервного заряда – в случае полного отказа солнечного коллектора или его аккумулятора собранная «из воздуха» энергия позволила бы системе передать сигнал о нарушении, возможно, даже поддерживая критически важную часть функций.

Сферы применения

Исследователи уверены, что энергетически автономные беспроводные сенсоры на бумажной основе очень скоро станут доступны по очень низкой цене. Потенциальные сферы применения, на их взгляд, включают:

• Системы безопасности аэропортов (обнаружение взрывчатых веществ, радиоактивных материалов, проч.);
• Энергосбережение (в доме – отслеживание показателей температуры и влажности, экономия электроэнергии за счет систем обогрева и кондиционирования; отдельный плюс – биоразлагаемость сенсоров на бумажной основе);
• Строительство (мониторинг прочности конструкции зданий, мостов, летательных аппаратов, отслеживание нагрузки, которой они подвергаются и передача сигнала о нестандартных условиях функционирования);
• Хранение продовольства (мониторинг качества пищевых продуктов по наличию химических веществ, свидетельствующих об их порче);
• Медицина (устройства для автономного биомониторинга состояния пациента).