Rectena transforma sinais de Wi-Fi em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/01/2019

Esquema da rectena, um híbrido de antena e retificador, que converte os sinais AC do Wi-Fi em sinais DC para os aparelhos eletrônicos. [Imagem: Xianjing Zhou/MIT]

Rectena

Alimentar aparelhos com eletricidade transmitida à distância já é uma realidade, como nas etiquetas RFID usadas pelas lojas de departamento e nos primeiros sensores da internet das coisas.

Mas Xu Zhang e seus colegas do MIT estão interessados em ampliar essa tecnologia para que ela possa alimentar aparelhos maiores, como implantes médicos e monitores de saúde, sensores, relógios eletrônicos e futuros telefones celulares de baixo consumo.

Para isso eles focaram na "colheita de energia" das ondas Wi-Fi, que estão por toda parte.

Em lugar das antenas usadas pelos aparelhos que usam as redes Wi-Fi da maneira trivial, Zhang construiu uma "rectena", um componente que é uma mistura de retificador (rectifier) e antena, o que o torna capaz de converter as ondas eletromagnéticas de corrente alternada que vêm pelo ar em corrente contínua, o tipo de eletricidade usada pelos aparelhos eletrônicos.

Molibdenita

A parte da rectena que captura as ondas eletromagnéticas é conectada a uma pastilha de um material semicondutor bidimensional, a molibdenita (MoS2), que vem desbancando o silício e o grafeno na eletrônica. É essa camada monoatômica que faz a conversão de corrente alternada em corrente contínua, que fica então disponível para o aparelho que se deseja alimentar.

A grande vantagem - em relação às rectenas tradicionais, tipicamente feitas de silício ou arseneto de gálio - é que um material monoatômico permite fabricar coletores de energia flexíveis, lembrando que uma das promessas da colheita de energia é revestir casas, prédios e outras construções com painéis que possam coletar a energia disponível no ambiente.

O protótipo produziu cerca de 40 microwatts de energia quando exposto aos níveis típicos de energia dos sinais Wi-Fi (cerca de 150 microwatts). Isso seria suficiente para alimentar um mostrador LCD simples ou um chip de silício.

Fotos dos protótipos de rectena flexível feitos com molibdenita. [Imagem: Xu Zhang et al. - 10.1038/s41586-019-0892-1]

Capacitância parasitária

"Ao usar a MoS2 em uma junção de fase semimetálica semicondutora, construímos um diodo Schottky atomicamente fino e ultrarrápido que minimiza simultaneamente a resistência em série e a capacitância parasitária," disse Zhang.

A capacitância parasitária é uma situação virtualmente inevitável na eletrônica, quando os materiais armazenam um pouco de carga elétrica, o que deixa o circuito mais lento. Uma capacitância mais baixa, portanto, significa maiores velocidades do retificador e frequências operacionais mais altas. A capacitância parasitária do diodo Schottky de molibdenita é uma ordem de grandeza menor do que os atuais retificadores flexíveis de última geração, por isso ele é mais rápido na conversão dos sinais e permite capturar e converter até 10 gigahertz de sinais de rádio.

A eficiência máxima de saída do protótipo é de 40%, dependendo da potência de entrada do sinal Wi-Fi. No nível de energia Wi-Fi típico, a eficiência do retificador de MoS2 é de cerca de 30% - para comparação, as melhores rectenas de silício e arseneto de gálio já fabricadas atingem cerca de 50 a 60% de eficiência, lembrando que elas são rígidas.

Bibliografia:

Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting
Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus, Tomás Palacios
Nature
DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1