Des scientifiques créent une «feuille» ultra-fine qui pourrait recharger nos téléphones en récupérant le Wi-Fi dans les airs

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Christine Daniloff / Nouvelles du MIT

Conversion des signaux Wi-Fi en électricité avec de nouveaux matériaux 2D
Un appareil fabriqué à partir de matériaux flexibles et peu coûteux pourrait alimenter des composants électroniques de grande surface, des appareils portables, des appareils médicaux, etc.
Écrit par Rob Matheson
Nouvelles du MIT

Imaginez un monde où les smartphones, les ordinateurs portables, les appareils portables et autres appareils électroniques sont alimentés sans piles. Des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont fait un pas dans cette direction, avec le premier appareil entièrement flexible capable de convertir l'énergie des signaux WiFi en électricité qui pourrait alimenter nos appareils électroniques.


Les appareils qui convertissent les ondes électromagnétiques CA en électricité CC sont appelés «rectennes». Dans une étude récemment publiée qui apparaît dans La nature, les chercheurs démontrent un nouveau type de rectenne qui utilise une antenne radiofréquence (RF) flexible qui capte les ondes électromagnétiques - y compris celles transportant le WiFi - sous forme d'ondes CA.

L'antenne est ensuite connectée à un nouveau dispositif constitué d'un semi-conducteur bidimensionnel de seulement quelques atomes d'épaisseur. Le signal CA se déplace dans le semi-conducteur, qui le convertit en une tension CC qui pourrait être utilisée pour alimenter des circuits électroniques ou recharger des batteries.

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De cette manière, l'appareil sans batterie capture et transforme passivement les signaux WiFi omniprésents en une alimentation CC utile. De plus, le dispositif est flexible et peut être fabriqué dans un processus rouleau à rouleau pour couvrir de très grandes surfaces.


«Et si nous pouvions développer des systèmes électroniques que nous enroulons autour d'un pont ou couvrir une autoroute entière, ou les murs de notre bureau et apporter l'intelligence électronique à tout ce qui nous entoure? Comment fournissez-vous de l'énergie pour ces appareils électroniques? » dit Tomás Palacios, co-auteur de l'article, professeur au Département de génie électrique et d'informatique du MIT.

«Nous avons mis au point une nouvelle façon d'alimenter les systèmes électroniques du futur - en récoltant l'énergie Wi-Fi d'une manière qui est facilement intégrée dans de vastes zones - pour apporter de l'intelligence à chaque objet autour de nous.'


Lors d'expériences, l'appareil des chercheurs peut produire environ 40 microwatts de puissance lorsqu'il est exposé aux niveaux de puissance typiques des signaux WiFi (environ 150 microwatts). C'est plus que suffisant pour allumer une LED ou piloter des puces de silicium.

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Les premières applications prometteuses de la rectenne proposée comprennent l'alimentation de l'électronique flexible et portable, des dispositifs médicaux et des capteurs pour «l'Internet des objets». Les smartphones flexibles, par exemple, constituent un nouveau marché brûlant pour les grandes entreprises technologiques.

Une autre application possible consiste à alimenter les communications de données des dispositifs médicaux implantables, déclare le co-auteur Jesús Grajal, chercheur à l'Université technique de Madrid. Par exemple, les chercheurs commencent à mettre au point des pilules qui peuvent être avalées par les patients et retransmettre les données de santé sur un ordinateur à des fins de diagnostic.


«Idéalement, vous ne voulez pas utiliser de piles pour alimenter ces systèmes, car s’ils fuient du lithium, le patient pourrait mourir», dit Grajal. «Il est bien préférable de récolter l'énergie de l'environnement pour alimenter ces petits laboratoires à l'intérieur du corps et communiquer les données à des ordinateurs externes.»

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Tous les redresseurs reposent sur un composant appelé «redresseur», qui convertit le signal d'entrée CA en alimentation CC. Les rectennes traditionnelles utilisent soit du silicium soit de l'arséniure de gallium pour le redresseur. Ces matériaux peuvent couvrir la bande WiFi, mais ils sont rigides. Et, bien que l'utilisation de ces matériaux pour fabriquer de petits dispositifs soit relativement peu coûteuse, leur utilisation pour couvrir de vastes zones, telles que les surfaces des bâtiments et des murs, serait d'un coût prohibitif. Les chercheurs tentent de résoudre ces problèmes depuis longtemps. Mais les quelques rectennes flexibles rapportées jusqu'à présent fonctionnent à des basses fréquences et ne peuvent pas capturer et convertir les signaux en fréquences gigahertz, là où se trouvent la plupart des signaux de téléphone portable et WiFi pertinents.

Pour construire leur redresseur, les chercheurs ont utilisé un nouveau matériau 2-D appelé disulfure de molybdène (MoS2), qui à trois atomes d'épaisseur est l'un des semi-conducteurs les plus minces au monde. Ce faisant, l'équipe a exploité un comportement singulier de MoS2: lorsqu'ils sont exposés à certains produits chimiques, les atomes du matériau se réorganisent d'une manière qui agit comme un interrupteur, forçant une transition de phase d'un semi-conducteur à un matériau métallique. La structure résultante est connue sous le nom de diode Schottky, qui est la jonction d'un semi-conducteur avec un métal.

«En concevant MoS2 dans une jonction de phase semi-conductrice-métallique 2D, nous avons construit une diode Schottky ultra-rapide et atomiquement fine qui minimise simultanément la résistance série et la capacité parasite», explique le premier auteur et post-doctorant EECS Xu Zhang.

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La capacité parasite est une situation inévitable en électronique où certains matériaux stockent un peu de charge électrique, ce qui ralentit le circuit. Une capacité inférieure signifie donc des vitesses de redresseur accrues et des fréquences de fonctionnement plus élevées. La capacité parasite de la diode Schottky des chercheurs est d'un ordre de grandeur plus petit que les redresseurs flexibles de pointe actuels, elle est donc beaucoup plus rapide à la conversion du signal et lui permet de capturer et de convertir jusqu'à 10 gigahertz de signaux sans fil.

«Une telle conception a permis un appareil entièrement flexible qui est suffisamment rapide pour couvrir la plupart des bandes de fréquences radio utilisées par notre électronique quotidienne, y compris le WiFi, le Bluetooth, le LTE cellulaire et bien d'autres», explique Zhang.

Les travaux rapportés fournissent des plans pour d'autres appareils WiFi-à-électricité flexibles avec un rendement et une efficacité substantiels. L'efficacité de sortie maximale de l'appareil actuel est de 40%, en fonction de la puissance d'entrée du WiFi. Au niveau de puissance Wi-Fi typique, l'efficacité énergétique du redresseur MoS2 est d'environ 30%. Pour référence, les rectennes d’aujourd’hui en silicium ou en arséniure de gallium rigides et plus coûteux atteignent environ 50 à 60%.

L'équipe prévoit maintenant de construire des systèmes plus complexes et d'améliorer l'efficacité.

Réimprimé avec la permission de Nouvelles du MIT

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