Yeni enerji hasadı tasarımı: cep telefonlarını şarj etmek için Wi-Fi sinyallerini kullanma
Kılavuz
Massachusetts Institute of Technology'nin resmi web sitesinde yer alan yakın tarihli bir rapora göre, okuldaki fizikçiler bir plan tasarladılar ve çevredeki terahertz dalgalarını doğru akıma dönüştürebilecek bir cihaz olduğuna inanıyorlar.
arka fon
Wi-Fi sinyalleri yayan herhangi bir cihaz ayrıca terahertz dalgaları da yayar. Terahertz dalgası, mikrodalga ve kızılötesi arasında frekansa sahip elektromanyetik bir dalgadır. Vücudumuz ve etrafımızdaki cansız nesneler gibi sıcaklığı olan hemen hemen her şey, "T-ışınları" olarak da bilinen bu yüksek frekanslı elektromanyetik dalgaları oluşturacaktır.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Günlük hayatımızda her yerde terahertz dalgaları vardır, eğer kullanılabilirlerse yüksek konsantre enerjilerinin alternatif bir enerji kaynağı olması beklenir. Cep telefonunun ek cihazlarının ortamdaki terahertz dalgalarını pasif bir şekilde soğurduğunu ve enerjilerini cep telefonunu şarj etmek için kullandığını hayal edebiliyoruz. Bununla birlikte, şimdiye kadar, terahertz dalgalarının enerjisi boşa gitmiştir çünkü onları toplamanın ve herhangi bir kullanılabilir forma dönüştürmenin pratik bir yolu yoktur.
Yenilikçilik
Yakın zamanda Massachusetts Institute of Technology (MIT) 'deki fizikçiler bir plan tasarladılar ve çevredeki terahertz dalgalarını doğru akıma dönüştürebilecek bir cihaz olduğuna inanıyorlar. Doğru akım, birçok ev elektronik ürününe güç sağlayan bir elektrik akımı biçimidir.
(Resim kaynağı: José-Luis Olivares, MIT)
Tasarımları, kuantum mekaniğini veya bir karbon malzemesi olan grafenin atomik davranışını kullanır. Grafeni başka bir malzemeyle (bu durumda bor nitrür) birleştirerek, elektronların grafendeki hareketinin ortak bir yönde eğildiğini buldular. Herhangi bir olay terahertz dalgası, grafen elektronlarını, tıpkı birçok küçük hava trafik kontrolörü gibi, malzemenin içinden doğru akım şeklinde tek yönde akan "mekik" yapacaktır.
Araştırmacılar bulgularını Science Advances dergisinde yayınladılar ve tasarımlarını fiziksel bir cihaza çevirmek için deneycilerle işbirliği yapıyorlar.
Doktora sonrası araştırmacı ve MIT Malzeme Araştırma Laboratuvarı'nın baş yazarı Hiroki Isobe şunları söyledi: "Terahertz aralığında elektromanyetik dalgalarla çevriliyiz. Bu enerjiyi günlük kullanabileceğimiz enerjiye dönüştürebilirsek, Karşılaştığımız enerji zorluklarının üstesinden gelinmesine yardımcı olun. "
Isobe'nin ortak yazarları arasında MIT'de Fizik doçenti olan Liang Fu ve MIT'de eski doktora sonrası araştırmacı ve Harvard Üniversitesi'nde kimya profesörü olan Su-yang Xu yer alıyor.
teknoloji
Grafenin simetrisini kırmak
Son on yılda bilim adamları, çevredeki çevrede enerji toplamanın ve onu faydalı elektrik enerjisine dönüştürmenin birçok yolunu buldular. Bunu esas olarak elektromanyetik dalgaları AC'den DC'ye dönüştürebilen redresörler aracılığıyla yaparlar.
Doğrultucuların çoğu, radyo dalgaları gibi düşük frekanslı dalgaları dönüştürmek için kullanılır.Radyo dalgalarının cihazdan doğru akım şeklinde geçmesine izin veren bir elektrik alanı oluşturmak için diyotlu bir devre kullanırlar. Bu doğrultucular yalnızca belirli bir frekansta çalışabilir ve terahertz dalgalarının frekans aralığına ulaşamaz.
Birkaç deneysel teknik terahertz dalgalarını doğru akıma dönüştürebilmiş olsa da, bunların pratik uygulamalarda elde edilmesi zor olan ultra soğuk sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi gerekir.
Isobe, kuantum mekaniği düzeyinde, elektromanyetik dalgaları doğru akıma dönüştürmek için bir cihazda harici bir elektrik alanı uygulamak yerine, bir malzemenin kendi elektronlarının bir yönde akmaya, terahertz dalgalarını doğru akıma dönüştürmeye teşvik edilip edilemeyeceğini bilmek istedi. yöntem.
Bu malzeme çok temiz olmalı veya safsızlık içermemelidir, böylece malzeme içindeki elektronlar akarken malzemede düzensiz saçılmalara neden olmaz. Grafenin ideal bir hammadde olduğunu buldu.
(Fotoğraf kredisi: Tatiana Shepeleva / Shutterstock)
Grafendeki elektronları tek yönde akmaya yönlendirmek için, malzemenin içsel simetrisini veya fizikçilerin "tersine çevirme" dedikleri şeyi kırması gerekir. Genel olarak, grafendeki elektronlar aralarında eşit bir kuvvet hissederler, bu da herhangi bir gelen enerjinin elektronların simetrik olarak tüm yönlere dağılmasına neden olacağı anlamına gelir. Isobe, grafenin "tersine dönmesini" kırmanın ve gelen enerjiye yanıt olarak asimetrik bir akım oluşturmanın bir yolunu aradı.
Literatüre baktı ve başkalarının grafeni bir bor nitrür tabakasına (iki bor ve nitrojen atomundan oluşan bal peteği benzeri bir kafes) yerleştirerek grafen ile deneyler yaptığını buldu. Bu düzenlemede grafen elektronları arasındaki kuvvetin dengesiz olduğunu buldular: borun yakınındaki elektronlar belirli bir kuvvet hissederken, nitrojene yakın elektronlar farklı bir sürüklenme hissediyorlar. Genel etki, fizikçilerin "çarpık saçılma" dediği şeydir, burada elektron bulutları hareketlerini bir yöne doğru eğirler.
Isobe, grafendeki elektronların ve altta yatan bor nitrür substratlarının saçılmasının tüm yolları ve bu elektron saçılmasının, özellikle terahertz frekans aralığındakiler olmak üzere herhangi bir elektromanyetik dalgayı nasıl etkileyeceği üzerine sistematik bir teorik çalışma yaptı. .
Grafen nispeten safsa, elektronların olay terahertz dalgası tarafından bir yöne eğilmesi için yönlendirileceğini ve bu eğilme hareketinin bir doğru akım oluşturduğunu buldu. Grafende çok fazla safsızlık varsa. Elektron bulutlarının yolunda engeller haline gelecekler ve bu bulutların tek bir yönde hareket etmek yerine her yöne dağılmasına neden olacaklar.
Isobe şu açıklamayı yaptı: "Birçok kirlilik durumunda, bu eğik hareket sonunda bir salınıma dönüşecek ve bu salınım yoluyla herhangi bir olay terahertz enerjisi kaybedilecektir. Bu nedenle, etkili bir şekilde elde etmek için temiz bir numune istiyoruz. Eğim hareketi. "
tek yön
Ayrıca, olay terahertz dalga enerjisi ne kadar güçlü olursa, cihazın doğru akıma o kadar fazla enerji dönüştürebileceğini buldular. Bu, terahertz dalgalarını dönüştüren herhangi bir cihazın, cihaza girmeden önce bu dalgaları toplama yöntemini de içermesi gerektiği anlamına gelir.
Tüm bunları göz önünde bulundurarak, araştırmacılar bir terahertz doğrultucu için bir plan geliştirdiler.Bu doğrultucu, bir sandviç gibi bir antene sıkıştırılmış bir bor nitrür tabakası üzerinde küçük bir grafen kareden oluşur. Anten toplayacak ve birleşecektir. Terahertz radyasyonunu çevredeki ortama yoğunlaştırın ve sinyali doğru akıma dönüştürmek için yeterince yükseltin.
Aşağıdaki şekildeki şematik, araştırmacının makalesinden alınmıştır. Yeşil kare, başka bir malzeme karesinin üstündeki grafeni temsil eder. Kırmızı çizgi terahertz dalgasını temsil eder. Mavi üçgen, kareyi çevreleyen, terahertz dalgalarını toplayan ve bu dalgaları karede toplayan anteni temsil eder.
(Resim kaynağı: Araştırmacı)
Fu şunları söyledi: "Farklı frekans aralıkları dışında, bu, çevredeki ortamdaki enerjiyi pasif olarak toplayan ve dönüştüren bir güneş piline çok benzer."
değer
Ekip, bu yeni "yüksek frekanslı düzeltme" tasarımı için patent başvurusunda bulundu ve araştırmacılar, tasarımlarına dayalı fiziksel bir cihaz geliştirmek için Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden deneysel fizikçilerle birlikte çalışıyor. Ultra soğuk sıcaklık koşullarında çalışması gereken önceki terahertz doğrultucular ve dedektörlerle karşılaştırıldığında, bu cihaz oda sıcaklığında çalışabilecek.
Isobe, "Bir cihaz oda sıcaklığında çalışıyorsa, onu birçok taşınabilir uygulamada kullanabiliriz." Dedi.
Yakın gelecekte, terahertz redresörlerinin, implant pilinin cerrahi olarak değiştirilmesine gerek kalmadan hastalarda implantları kablosuz olarak şarj edebileceğini öngördü. Bu tür cihazlar ayrıca dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları gibi kişisel elektronik ürünleri şarj etmek için çevredeki Wi-Fi sinyallerini dönüştürebilir.
Fu, "Şu anda kullanılabilen ve birçok olasılığın önünü açan belirli atomik asimetriye sahip bir kuantum malzemesi kullanıyoruz."
Anahtar kelime
Wi-Fi, terahertz, güç üretimi
Referans
