O projeto de coleta de energia visa transformar os sinais Wi-Fi em energia utilizável

O dispositivo para aproveitar a radiação terahertz pode permitir implantes autoalimentados, telefones celulares e outros eletrônicos portáteis.

O design do MIT poderia colher sinais WIFI em energia utilizável YAMIL LAGE / AFP via Getty Images Qualquer dispositivo que envia um sinal Wi-Fi também emite ondas terahertz - ondas eletromagnéticas com uma frequência em algum lugar entre as microondas e a luz infravermelha.

Essas ondas de radiação de alta frequência, conhecidas como 'raios T', também são produzidas por quase tudo que registra uma temperatura, incluindo nossos próprios corpos e os objetos inanimados ao nosso redor.



As ondas terahertz são difundidas em nossa vida diária e, se aproveitadas, sua força concentrada pode servir como uma fonte de energia alternativa. Imagine, por exemplo, um complemento de celular que absorve passivamente os raios T do ambiente e usa sua energia para carregar seu telefone. No entanto, até o momento, as ondas terahertz são energia desperdiçada, pois não há uma maneira prática de capturá-las e convertê-las em qualquer forma utilizável.



Agora, os físicos do MIT criaram um projeto para um dispositivo que acreditam ser capaz de converter as ondas terahertz do ambiente em corrente contínua, uma forma de eletricidade que alimenta muitos eletrônicos domésticos.

Seu projeto tira proveito da mecânica quântica ou comportamento atômico do grafeno, material de carbono. Eles descobriram que, ao combinar o grafeno com outro material, neste caso, o nitreto de boro, os elétrons no grafeno deveriam desviar seu movimento em uma direção comum. Quaisquer ondas terahertz que chegam devem 'transportar' os elétrons do grafeno, como tantos minúsculos controladores de tráfego aéreo, para fluir através do material em uma única direção, como uma corrente contínua.



Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista Avanços da Ciência , e estão trabalhando com experimentalistas para transformar seu projeto em um dispositivo físico.

'Estamos cercados por ondas eletromagnéticas na faixa de terahertz', diz o autor Hiroki Isobe, pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. 'Se pudermos converter essa energia em uma fonte de energia que possamos usar na vida diária, isso ajudaria a enfrentar os desafios de energia que estamos enfrentando agora.'

Os co-autores de Isobe são Liang Fu, Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn, Professora Associada de Desenvolvimento de Carreira no MIT; e Su-yang Xu, um ex-pós-doutorado do MIT que agora é professor assistente de química na Universidade de Harvard.



Quebrando a simetria do grafeno

Na última década, os cientistas procuraram maneiras de colher e converter a energia ambiente em energia elétrica utilizável. Eles o fizeram principalmente por meio de retificadores, dispositivos projetados para converter ondas eletromagnéticas de sua corrente oscilante (alternada) em corrente contínua.

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A maioria dos retificadores é projetada para converter ondas de baixa frequência, como ondas de rádio, usando um circuito elétrico com diodos para gerar um campo elétrico que pode direcionar as ondas de rádio através do dispositivo como uma corrente CC. Esses retificadores funcionam apenas até uma determinada frequência e não foram capazes de acomodar a faixa de terahertz.

Algumas tecnologias experimentais que foram capazes de converter ondas terahertz em corrente DC o fazem apenas em temperaturas ultracold - configurações que seriam difíceis de implementar em aplicações práticas.

Em vez de transformar as ondas eletromagnéticas em uma corrente DC, aplicando um campo elétrico externo em um dispositivo, Isobe se perguntou se, em um nível de mecânica quântica, os próprios elétrons de um material poderiam ser induzidos a fluir em uma direção, a fim de direcionar as ondas terahertz de entrada para uma corrente DC.

Tal material teria que ser muito limpo, ou livre de impurezas, para que os elétrons do material fluíssem sem espalhar irregularidades no material. Grafeno, ele descobriu, era o material de partida ideal.

Para direcionar os elétrons do grafeno para fluir em uma direção, ele teria que quebrar a simetria inerente do material, ou o que os físicos chamam de 'inversão'. Normalmente, os elétrons do grafeno sentem uma força igual entre eles, o que significa que qualquer energia entrante espalharia os elétrons em todas as direções, simetricamente. Isobe procurou maneiras de quebrar a inversão do grafeno e induzir um fluxo assimétrico de elétrons em resposta à energia que entra.

Examinando a literatura, ele descobriu que outros haviam feito experiências com grafeno, colocando-o sobre uma camada de nitreto de boro, uma estrutura semelhante em favo de mel feita de dois tipos de átomos - boro e nitrogênio. Eles descobriram que, nesse arranjo, as forças entre os elétrons do grafeno foram desequilibradas: os elétrons mais próximos do boro sentiram uma certa força, enquanto os elétrons mais próximos do nitrogênio experimentaram uma atração diferente. O efeito geral foi o que os físicos chamam de 'espalhamento inclinado', no qual nuvens de elétrons distorcem seu movimento em uma direção.

Isobe desenvolveu um estudo teórico sistemático de todas as maneiras pelas quais os elétrons no grafeno podem se espalhar em combinação com um substrato subjacente, como o nitreto de boro, e como esse espalhamento de elétrons afetaria quaisquer ondas eletromagnéticas de entrada, particularmente na faixa de frequência terahertz.

Ele descobriu que os elétrons eram impulsionados por ondas terahertz entrantes para inclinar em uma direção, e esse movimento inclinado gera uma corrente CC, se o grafeno fosse relativamente puro. Se muitas impurezas existissem no grafeno, elas agiriam como obstáculos no caminho das nuvens de elétrons, fazendo com que essas nuvens se dispersassem em todas as direções, em vez de se moverem como uma só.

“Com muitas impurezas, esse movimento enviesado acaba oscilando, e qualquer energia terahertz que chega é perdida por meio dessa oscilação”, explica Isobe. 'Portanto, queremos uma amostra limpa para efetivamente obter um movimento inclinado.'

Uma direção

Eles também descobriram que quanto mais forte a energia terahertz de entrada, mais dessa energia um dispositivo pode converter em corrente CC. Isso significa que qualquer dispositivo que converta raios T também deve incluir uma maneira de concentrar essas ondas antes de entrarem no dispositivo.

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Com tudo isso em mente, os pesquisadores traçaram um projeto para um retificador terahertz que consiste em um pequeno quadrado de grafeno que fica sobre uma camada de nitreto de boro e está imprensado dentro de uma antena que coletaria e concentraria a radiação terahertz ambiente, aumentando seu sinal o suficiente para convertê-lo em uma corrente DC.

'Isso funcionaria muito como uma célula solar, exceto por uma faixa de frequência diferente, para coletar e converter passivamente a energia ambiente', diz Fu.

A equipe registrou uma patente para o novo design de 'retificação de alta frequência' e os pesquisadores estão trabalhando com físicos experimentais do MIT para desenvolver um dispositivo físico baseado em seu design, que deve ser capaz de funcionar em temperatura ambiente, em comparação com o ultracold. temperaturas exigidas para retificadores e detectores terahertz anteriores.

'Se um dispositivo funciona em temperatura ambiente, podemos usá-lo para muitas aplicações portáteis', diz Isobe.

Ele prevê que, em um futuro próximo, retificadores terahertz possam ser usados, por exemplo, para alimentar implantes sem fio no corpo de um paciente, sem a necessidade de cirurgia para trocar as baterias do implante. Esses dispositivos também podem converter sinais de ambiente Wi-Fi para carregar eletrônicos pessoais, como laptops e celulares.

'Estamos pegando um material quântico com alguma assimetria em escala atômica, que agora pode ser utilizado, o que abre muitas possibilidades', diz Fu.

Esta pesquisa foi financiada em parte pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA por meio do Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN).

Reproduzido com permissão de MIT News . Leia o artigo original .

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