Çevremizdeki hava sahası Wi-Fi, Bluetooth ve 5G ağlarından gelen radyo frekansı sinyalleriyle doludur. Bu standartlar veri iletimi için mükemmeldir ancak aynı zamanda kullanılmayan bir enerji kaynağını da temsil ederler. Singapur Ulusal Üniversitesi’ndeki (NUS) araştırmacılar, ortam veya “atık” radyo frekansı sinyallerini toplamak ve bunları küçük elektronik cihazlara güç sağlamak için kullanmak için yenilikçi bir teknoloji geliştirdiler.
Yeni teknolojinin temel unsuru, son derece düşük güçlü RF sinyallerini (-20 dBm’den az) kullanılabilir DC voltajına dönüştürebilen nano ölçekli bir spin doğrultucudur. Bu cihaz, düşük ortam gücü seviyelerinde verimli bir şekilde çalışmakta zorluk çeken mevcut RF doğrultucularla ilgili büyük bir sorunun üstesinden gelir.
Nano ölçekli bir spin doğrultucu, elektron spininin kuantum özelliklerini kullanarak düşük güçlü radyo frekansı sinyallerini (Wi-Fi, 5G, Bluetooth) doğru akıma dönüştüren kompakt ve verimli bir cihazdır. Spin-yörünge etkileşimi ve spin bağımlı tünelleme etkisine dayanarak elektronların manyetik momentindeki dalgalanmaları elektrik akımına dönüştürürler. Bu redresörler, Nesnelerin İnterneti (IoT) sistemleri de dahil olmak üzere otonom ve enerji açısından verimli elektronik cihazlar oluşturma konusunda umut vericidir.
Projeyi yöneten Profesör Yang Hyunsoo, geleneksel gigahertz Schottky diyot redresörlerinin düşük güç seviyelerindeki temel termodinamik sınırlamalar nedeniyle onlarca yıldır hareketsiz kaldığını açıkladı. Son gelişmeler, çip alanını artırarak minyatürleştirmeyi zorlaştıran antenlerin ve empedans eşleştirme ağlarının verimliliğinin artırılmasına odaklandı.
Ekip, nano ölçekli spin doğrultucuların radyo frekansı enerjisini doğrudan doğru akıma dönüştürmenin kompakt, hassas ve verimli bir yolunu sunduğunu gösterdi. Yang, “Sonuçlarımız, SR teknolojisinin kolayca entegre ve ölçeklenebilir olduğunu, çeşitli düşük güçlü RF ve iletişim uygulamaları için büyük ölçekli SR dizilerinin geliştirilmesini kolaylaştırdığını gösteriyor” dedi.
Araştırmacılar, döndürme doğrultucu cihazlarını iki konfigürasyonda optimize etti: -62 dBm ile -20 dBm arasında çalışan tek bir doğrultucu ve %7,8 dönüşüm verimliliğine sahip seri halinde 10 döndürme doğrultucudan oluşan bir dizi. Diziyi bir enerji toplama modülüne entegre etmek, ticari bir sıcaklık sensörüne yalnızca -27 dBm giriş gücüyle güç sağlamalarına olanak sağladı.
Japonya’daki Tohoku Üniversitesi ve İtalya’daki Messina Üniversitesi’nden araştırmacılarla işbirliği içinde elde edilen sonuçlar 24 Temmuz’da Nature Electronics dergisinde yayınlandı.
Bu, konseptin heyecan verici bir kanıtı olsa da, spin doğrultucunun enerji toplama modüllerinin hâlâ geliştirilmeye ihtiyacı var. Yang’ın ekibi, verimliliği ve kompaktlığı daha da artırabilecek şekilde anteni bir çip üzerine entegre etmek üzerinde çalışıyor.
Araştırmacılar ayrıca entegre spin doğrultuculara sahip, kendi kendini idame ettirebilen akıllı sistemlerin geliştirilmesini ilerletmek için endüstriyel ve akademik ortaklarla işbirliği yapmayı planlıyor. Bunun kablosuz şarj ve ortamdaki RF sinyallerini toplamaya dayalı sinyal algılama sistemleri için kompakt, yerleşik teknolojilere yol açacağını umuyorlar.
Benzer bir çalışmada, Koreli bilim insanları geri saçılım teknolojisini optimize ederek cihazların veri iletimi için modüle edilmiş kablosuz sinyalleri yansıtmasına olanak tanıyarak %40 daha yüksek enerji verimliliği ve daha uzun pil ömrü sağladı.
Radyo frekansı sinyallerinden enerji toplamaya yönelik yeni teknoloji, küçük elektronik cihazların çalıştırılmasında devrim yaratarak onları daha otonom ve enerji açısından verimli hale getirebilir.
