Rectena flexible convierte señales WiFi en electricidad para dispositivos diminutos

Un nuevo tipo de rectena hecha de un semiconductor bidimensional delgado puede convertir señales WiFi en electricidad.

Los investigadores generaron 40 microwatios de potencia al exponer la rectena a señales WiFi normales.

Eso es más que suficiente para alimentar chips de silicio o encender un LED.

De Tesla a la recolección de energía RF moderna

La transmisión inalámbrica de energía se remonta al siglo XIX cuando Nikola Tesla trabajaba en métodos para transferir energía eléctrica sin cables. Unos años después, el inventor italiano Guglielmo Marconi inventó el primer sistema de telegrafía inalámbrica completo y comercialmente exitoso.

Los recolectores eficientes de energía de radiofrecuencia se establecieron posteriormente (mediados del siglo XX) en sustratos rígidos como el silicio. Sin embargo, ha sido muy difícil extender esta tecnología a sistemas electrónicos de uso diario. Aunque se ha analizado una amplia gama de semiconductores flexibles para permitir sensores verdaderamente ubicuos, los científicos no han logrado hitos significativos en este campo.

Recientemente, un equipo de investigación del MIT presentó el primer dispositivo completamente flexible que transforma señales WiFi en energía eléctrica para alimentar electrónica. Es un nuevo tipo de rectena —un instrumento para convertir ondas electromagnéticas AC en electricidad DC— que usa una antena de radiofrecuencia flexible para capturar ondas electromagnéticas como formas de onda AC.

Esta antena se conecta a un dispositivo único hecho de un semiconductor 2D. El dispositivo convierte la señal AC en voltaje DC que podría recargar baterías y alimentar circuitos electrónicos.

¿Qué es este dispositivo único?

Las rectenas convencionales usan arseniuro de galio o silicio para el rectificador que convierte la señal AC en potencia DC. Aunque estos semiconductores cubren la banda WiFi, son rígidos. Usarlos para fabricar áreas extensas (paredes, superficies de edificios) sería extremadamente costoso.

Los científicos llevan décadas intentando resolver estos problemas. Han desarrollado algunas rectenas eficientes pero funcionan a bajas frecuencias y no pueden transformar señales en frecuencias de gigahercios, donde se encuentran la mayoría de señales WiFi y móviles.

En este estudio, los investigadores usaron un nuevo material bidimensional llamado disulfuro de molibdeno que tiene solo tres átomos de grosor. Cuando los átomos de este material entran en contacto con ciertos químicos, se reposicionan de manera que actúan como un interruptor. Esto fuerza al material a cambiar su fase de semiconductor a metal.

Referencia: Nature | doi:10.1038/s41586-019-0892-1 | MIT

Esto resulta en una unión de un semiconductor con un metal, llamada diodo Schottky, que minimiza simultáneamente la capacitancia parásita y la resistencia en serie.

La capacitancia parásita del diodo Schottky es mucho menor que la de los rectificadores flexibles de vanguardia. Así, puede capturar y convertir señales inalámbricas a tasas mucho más rápidas (hasta 10 gigahercios), cubriendo bandas de radiofrecuencia usadas por LTE celular, Bluetooth y Wi-Fi.

Cortesía de los investigadores

Resultados y aplicaciones

La eficiencia máxima de salida del dispositivo es de aproximadamente 40%, y varía según la entrada de señal WiFi. Para contextualizar, las rectenas convencionales de arseniuro de galio y silicio tienen eficiencia alrededor del 50-60%. El equipo planea desarrollar sistemas más complejos con mayor eficiencia.

Las aplicaciones tempranas incluyen alimentar electrónica portátil, instrumentos médicos y sensores para "internet de las cosas". En este estudio, los investigadores generaron 40 microwatios cuando la rectena se expuso a señales WiFi normales (que suelen tener 150 microwatios de potencia).

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Actualmente, los científicos desarrollan píldoras tragables que transmiten datos de salud a computadoras para diagnóstico. La nueva rectena también podría usarse para alimentar dispositivos médicos implantables en el futuro.