Metaoberflächenbasierte Antenne wandelt Umgebungsfunkwellen in elektrische Energie um

Forscher haben eine neue metaoberflächenbasierte Antenne entwickelt, die einen wichtigen Schritt hin zu einer praktischen Nutzung der Energiegewinnung aus Funkwellen darstellt, wie sie beispielsweise in Mobilfunknetzen oder Bluetooth-Verbindungen verwendet werden. Diese Technologie könnte möglicherweise Sensoren, LEDs und andere einfache Geräte mit geringem Energiebedarf drahtlos mit Strom versorgen.

„Durch den Wegfall von Kabelverbindungen und Batterien könnten diese Antennen dazu beitragen, Kosten zu senken, die Zuverlässigkeit zu verbessern und einige elektrische Systeme effizienter zu machen“, sagte der Leiter des Forschungsteams Jiangfeng Zhou von der University of South Florida. „Dies wäre nützlich, um Smart-Home-Sensoren mit Strom zu versorgen, wie sie für Temperatur, Beleuchtung und Bewegung verwendet werden, oder Sensoren, die zur Überwachung der Struktur von Gebäuden oder Brücken verwendet werden, wo der Austausch einer Batterie schwierig oder unmöglich sein könnte.“

Im Tagebuch Express für optische Materialien, berichten die Forscher, dass Labortests ihrer neuen Antenne gezeigt haben, dass sie 100 Mikrowatt Leistung aus Funkwellen mit geringer Leistung gewinnen kann, genug, um einfache Geräte mit Strom zu versorgen. Dies war möglich, weil das zur Herstellung der Antenne verwendete Metamaterial eine perfekte Absorption von Funkwellen aufweist und darauf ausgelegt ist, mit niedrigen Intensitäten zu arbeiten.

„Obwohl mehr Arbeit erforderlich ist, um die Antenne zu miniaturisieren, überschreitet unser Gerät eine Schlüsselschwelle von 100 Mikrowatt geernteter Leistung mit hoher Effizienz unter Verwendung von Umgebungsleistungspegeln, die in der realen Welt zu finden sind“, sagte Clayton Fowler, das Teammitglied, das die Probe hergestellt und durchgeführt hat die Messungen. „Die Technologie könnte auch so angepasst werden, dass eine Funkwellenquelle bereitgestellt werden könnte, um Geräte in einem Raum mit Strom zu versorgen oder aufzuladen.“

Energie aus der Luft gewinnen

Wissenschaftler versuchen seit geraumer Zeit, Energie aus Radiowellen zu gewinnen, aber es war schwierig, genügend Energie zu gewinnen, um nützlich zu sein. Dies ändert sich dank der Entwicklung von Metamaterialien und der ständig wachsenden Zahl verfügbarer Umgebungsquellen für Hochfrequenzenergie wie Mobilfunknetze, Wi-Fi, GPS und Bluetooth-Signale.

„Mit der enormen Explosion der auf Funkwellen basierenden Technologien wird es eine Menge elektromagnetischer Abfallemissionen geben, die gesammelt werden könnten“, sagte Zhou. „In Kombination mit den Fortschritten bei Metamaterialien hat dies eine ausgereifte Umgebung für neue Geräte und Anwendungen geschaffen, die davon profitieren könnten, diese Abfallenergie zu sammeln und zu nutzen.“

Metamaterialien verwenden kleine, sorgfältig entworfene Strukturen, um mit Licht und Radiowellen auf eine Weise zu interagieren, wie es natürlich vorkommende Materialien nicht tun. Um die Energy-Harvesting-Antenne herzustellen, verwendeten die Forscher ein Metamaterial, das für eine hohe Absorption von Funkwellen ausgelegt ist und das eine höhere Spannung durch die Diode des Geräts fließen lässt. Dies verbesserte seine Effizienz bei der Umwandlung von Funkwellen in Strom, insbesondere bei geringer Intensität.

Testen mit Umgebungsleistungspegeln

Bei Labortests des 16 cm mal 16 cm großen Geräts maßen die Forscher die Energiemenge, die gewonnen wurde, während die Leistung und Frequenz einer Funkquelle zwischen 0,7 und 2,0 GHz geändert wurden. Sie demonstrierten die Fähigkeit, 100 Mikrowatt Leistung aus Funkwellen mit einer Intensität von nur 0,4 Mikrowatt pro Quadratzentimeter zu gewinnen, was ungefähr der Intensität der Funkwellen 100 Meter von einem Mobilfunkmast entspricht.

„Wir haben während eines Telefongesprächs auch ein Mobiltelefon sehr nahe an der Antenne platziert, und es hat genug Energie aufgenommen, um während des Anrufs eine LED mit Strom zu versorgen“, sagte Zhou. „Obwohl es praktischer wäre, Energie von Mobilfunkmasten zu gewinnen, demonstrierte dies die Leistungserfassungsfähigkeiten der Antenne.“

Da die aktuelle Version der Antenne viel größer ist als die meisten Geräte, die sie möglicherweise mit Strom versorgen würde, arbeiten die Forscher daran, sie kleiner zu machen. Sie würden auch gerne eine Version machen, die Energie von mehreren Arten von Radiowellen gleichzeitig sammeln könnte, so dass mehr Energie gesammelt werden könnte.