Wi-Fi napajanje: Od bežične veze do struje

Mo­že­te li za­mi­sli­ti da se pa­me­tni mo­bil­ni te­le­fo­ni, lap­to­pi, ta­ble­ti, pa­me­tna odeća i dru­gi elek­tron­ski uređaji sav­re­me­nih te­hno­lo­gi­ja na­pa­ja­ju bez ba­te­ri­ja? Do­bra je vest da je na­prav­ljen značajan ko­rak u tom sme­ru – pri­ka­zan je prvi pot­pu­no flek­si­bi­lan uređaj ko­ji obećava da će nas u pot­pu­nos­ti o­slo­bo­di­ti pu­njača. Za­nim­lji­vo je da će naj­značaj­ni­ju ulo­gu u to­me odi­gra­ti sve­pri­su­tni Wi‑Fi.

Be­žično pu­nje­nje već je uobičaje­no u mo­bil­nim te­le­fo­ni­ma i dru­gim uređaji­ma. Ipak, ono se još uvek obav­lja na o­gra­ničenom pros­to­ru, a do­met je kra­tak. Pra­vo be­žično pu­nje­nje, ko­je bi nam omo­gućilo pot­pu­nu slo­bo­du kre­ta­nja, mo­gle bi omo­gućiti Wi‑Fi mre­že dos­tu­pne go­to­vo svu­da i ma­li uređaj (an­te­na) ko­ji bi Wi‑Fi si­gnal kon­ver­to­vao u je­dno­smer­nu stru­ju za na­pa­ja­nje elek­tron­skih uređaja. U­pra­vo na toj ide­ji ra­dio je is­tra­ži­vački tim pre­dvođen naučni­ci­ma s po­zna­tog Ma­sačuset­skog te­hno­lo­škog uni­ver­zi­te­ta (MIT). Re­zul­ta­ti is­tra­ži­va­nja o­bjav­lje­ni su ja­nu­ara ove go­di­ne u – ni ma­nje ni vi­še – časo­pi­su Nature.

Is­tra­ži­va­nje je urađeno u o­kvi­ru MIT‑ove međuna­ro­dne naučne i te­hno­lo­ške ini­ci­ja­ti­ve MIS­TI (MIT International Science and Technology Initiatives). U is­tra­ži­va­nju i o­bjav­lje­nom ra­du učes­tvo­va­lo je 15 koauto­ra. Među is­tra­ži­vačima su i naučni­ci dva uni­ver­zi­te­ta iz Ma­dri­da (Technical University of Madrid, Charles III University), Voj­no‑is­tra­ži­vačke la­bo­ra­to­ri­je (Army Research Laboratory) i je­dnog ka­li­for­nij­skog uni­ver­zi­te­ta (University of Souther California). Is­tra­ži­va­nje su de­li­mično po­drža­le još ne­ke ame­ričke in­sti­tu­ci­je – Institute for Soldier Nanotechnologies, National Science Foundation’s Center for Integrated Quantum Materials i Air Force Office for Scientific Research.

2D mo­lib­den‑di­sul­fid

No­va mo­gućnost za­sni­va se na tzv. is­prav­ljačkoj an­te­ni ili rek­te­ni (rectifying antenna), ko­ja elek­tro­ma­gne­tnu ener­gi­ju Wi‑Fi si­gna­la pre­tva­ra u je­dno­smer­nu stru­ju. Wi‑Fi si­gnal ona pri­ma kao na­i­zme­nični a za­tim ga, po­put is­prav­ljača, pre­tva­ra u je­dno­smer­ni. Po prvi put su se rek­te­ne po­ja­vi­le pre vi­še od 40 go­di­na. Ko­rišćene su za kon­ver­to­va­nje ener­gi­je na ta­la­snim du­ži­na­ma van vi­dlji­vog spek­tra, u in­fra­crve­nom op­se­gu, a ka­sni­je i za na­pa­ja­nje NFC uređaja. S tim re­še­nji­ma za vi­dlji­ve ta­la­sne du­ži­ne ni­je pos­ti­gnut od­go­va­ra­jući kva­li­tet.

Iako je ide­ja o kon­ver­zi­ji Wi‑Fi si­gna­la u je­dno­smer­ni pri­su­tna već du­že u naučnim kru­go­vi­ma, u pret­ho­dnim re­še­nji­ma is­prav­ljači su se za­ni­va­li na si­li­ci­ju­mo­vom ili ga­li­ju­mo­vom ar­se­ni­du, a to su kru­ti (ne­flek­si­bil­ni) i sku­pi ma­te­ri­ja­li. Zbog to­ga je po­me­nu­ti is­tra­ži­vački tim kre­nuo s ra­zvo­jem rek­te­na do­voj­no flek­si­bil­nih da se mo­gu la­ko po­većava­ti do ve­li­kih di­men­zi­ja. Is­tov­re­me­no, cilj im je bio da is­prav­ljačke an­te­ne ne bu­du sku­pe. Is­tra­ži­va­nje ih je do­ve­lo do mo­lib­den‑di­sul­fi­da (MoS‑2‑).

Mo­lib­den‑di­sul­fid je je­dan od naj­ta­njih po­lu­pro­vo­dni­ka na sve­tu: de­beo je sve­ga tri ato­ma, pa se mo­že sma­tra­ti dvo­di­men­zi­onal­nim. To ga čini izu­ze­tno flek­si­bil­nim i is­tov­re­me­no efi­ka­snim

Mo­lib­den‑di­sul­fid je je­dan od naj­ta­njih po­lu­pro­vo­dni­ka na sve­tu – de­blji­ne tri ato­ma, pa se mo­že sma­tra­ti dvo­di­men­zi­onal­nim. To ga čini izu­ze­tno flek­si­bil­nim i is­tov­re­me­no vrlo efi­ka­snim i brzim. I­zla­ga­nje tog ma­te­ri­ja­la spe­ci­fičnim he­mi­ka­li­ja­ma omo­gućava fa­zni pre­laz i­zmeđu po­lu­pro­vo­dni­ka i me­tal­nog ma­te­ri­ja­la. Ti­me se stva­ra do­volj­no brz uređaj ko­ji mo­že da re­gis­tru­je i pri­ma većinu si­gna­la ko­je ko­ris­ti sav­re­me­na elek­tro­ni­ka (Wi‑Fi, Bluetooth, mo­bil­ne LTE mre­že i dru­ge). Is­tov­re­me­no, on je i je­ftin, pa se mo­že pos­tav­lja­ti na ve­li­kim pov­rši­na­ma na jav­nim mestima.

U pret­ho­dnim re­še­nji­ma pro­blem je bi­lo i po­kri­va­nje vi­so­kih fre­kven­ci­ja. Rek­te­na s mo­lib­den‑di­sul­fi­dom omo­gućava kon­ver­zi­ju si­gna­la fre­kven­ci­je do 10 GHz, što znači po­bolj­ša­nje brzi­ne u o­dno­su na sa­da­šnje flek­si­bil­ne rek­te­ne za je­dan red ve­ličine. Za­pra­vo, flek­si­bil­ni is­prav­ljač za­sno­van na mo­lib­den‑di­sul­fi­du ra­di do X‑band op­se­ga (8 do 12 GHz) i po­kri­va većinu ne­li­cen­ci­ra­nih in­dus­trij­skih, naučnih i me­di­cin­skih band‑ova, u­ključujući i Wi‑Fi ka­na­le. Pri­tom pro­i­zvo­di oko 40 mi­kro­va­ti sna­ge, što je sa­svim do­volj­no da se po­kre­nu si­li­ci­jum­ski čipo­vi mo­bil­nih uređaja.

Is­prav­ljačka an­te­na – rek­tena

Pre­tva­ra­nje Wi‑Fi si­gna­la u je­dno­smer­nu stru­ju os­tva­re­no je in­te­gra­ci­jom ul­tra­brzog MoS‑2‑ is­prav­ljača sa flek­si­bil­nom Wi‑Fi band an­te­nom. Ba­zi­ra­na je na he­te­ro­sis­te­mu po­lu­pro­vo­dni­ka i me­ta­la. Pod dej­stvom ne­kih he­mij­skih pro­ce­sa, ato­mi ma­te­ri­ja­la se pre­uređuju i for­mi­ra­ju struk­tu­ru ko­ja ima pre­ki­dačku fun­kci­ju. Do­bi­je­na struk­tu­ra po­zna­ta je kao Šot­ki­je­va di­oda, ko­ja pred­stav­lja spoj po­lu­pro­vo­dni­ka s me­ta­lom.

Šot­ki­je­va di­oda ima ve­oma krat­ko vre­me u­ključiva­nja i is­ključiva­nja, kao i zna­tno ni­ži prag pro­vođenja od si­li­ci­jum­skih di­oda. I­zrađuje se ta­ko što se di­rek­tno na po­lu­pro­vo­dnik N vrste na­no­si me­tal. Elek­tro­ni po­lu­pro­vo­dni­ka pre­la­ze u me­tal zbog di­fu­zi­je, dok o­brnut pre­laz elek­tro­na ni­je mo­guć (ener­gi­ja elek­tro­na u me­ta­lu je ma­nja). Na taj način for­mi­ra se is­prav­ljački spoj i­zmeđu po­lu­pro­vo­dni­ka i me­ta­la. Šot­ki­je­va di­oda ko­ris­ti se u ve­oma brzim pre­ki­dačkim ko­li­ma, a s ve­li­kom ko­ličinom pri­me­sa mo­že se ko­ris­ti­ti i u o­blas­ti mi­kro­ta­la­sa (10 GHz).

Ova­ko for­mi­ra­na Šot­ki­je­va di­oda (sa MoS‑2‑) mi­ni­mi­zi­ra pa­ra­zi­tnu ka­pa­ci­tiv­nost. Pa­ra­zi­tna ka­pa­ci­tiv­nost je ne­za­obi­la­zna po­ja­va u elek­tro­ni­ci, gde o­dređeni ma­te­ri­ja­li ima­ju ne­ko ma­lo na­elek­tri­sa­nje ko­je us­po­ra­va rad elek­tron­skih ko­la. Sma­nje­na ka­pa­ci­tiv­nost znači po­većanje brzi­ne is­prav­ljača i veću ra­dnu fre­kven­ci­ju. Ona je za red ve­ličine ma­nja od da­na­šnjih naj­sav­re­me­ni­jih flek­si­bil­nih is­prav­ljača, ta­ko da je kon­ver­zi­ja si­gna­la mno­go brža i omo­gućava da se pri­ma­ju i kon­ver­tu­ju u je­dno­smer­ni si­gnal be­žični si­gna­li učes­ta­nos­ti do 10 GHz.

Rek­te­na ko­ju je na­pra­vio is­tra­ži­vački tim sa MIT‑a je flek­si­bil­na, ta­ko da se mo­že pos­tav­lja­ti na bi­lo ka­kvu pov­rši­nu, ve­li­ku po­put ta­pe­ta na zi­du ili ta­ko ma­lu da se mo­že smes­ti­ti u uređaj po­put mo­bil­nog te­le­fona

S mo­lib­den‑di­sul­fi­dom, za početak, os­tva­re­na je efi­ka­snost oko 30 od­sto. Do­bi­je­na je ener­gi­ja 40 µW, od uku­pne sna­ge Wi‑Fi si­gna­la ko­ja ti­pično i­zno­si 150 µW. To je do­volj­no za na­pa­ja­nje ma­lih no­si­vih uređaja, pa je eli­mi­ni­sa­na po­tre­ba za ba­te­ri­jom. Is­tra­ži­vački tim sva­ka­ko se neće za­us­ta­vi­ti na to­me, već će da­lje ra­di­ti na i­zra­di slo­že­ni­jih i fun­kci­onal­ni­jih sis­te­ma, kao i na po­bolj­ša­nju efi­ka­snos­ti.

Dis­tri­bu­ira­na elek­tro­nika

Oči­gle­dno je da će nam, osim In­ter­ne­ta, Wi‑Fi po­nu­di­ti još je­dnu po­go­dnost – da svo­je mo­bil­ne te­le­fo­ne i dru­ge uređaje na­pa­ja­mo di­rek­tno iz te mre­že. Slo­bo­du kre­ta­nja i ko­rišćenja mo­bil­nih uređaja omo­gućiće rek­te­na, ko­ju je na­pra­vio is­tra­ži­vački tim sa MIT‑a i iz Špa­ni­je. Ona je fleksibil­na, ta­ko da se mo­že pos­tav­lja­ti na bi­lo ka­kvu pov­rši­nu, ve­li­ku po­put ta­pe­ta na zi­du ili ta­ko ma­lu da se mo­že smes­ti­ti u uređaj po­put mo­bil­nog te­le­fo­na. Osim mo­bil­nih uređaja, na taj način će se os­tva­ri­ti na­pa­ja­nje flek­si­bil­ne i no­si­ve elek­tro­ni­ke, kao i sen­zo­ra za Internet stvari (IoT).

Vrlo je značaj­na i po­ten­ci­jal­na pri­me­na Wi‑Fi kon­ver­zi­je u me­di­ci­ni. Te­hno­ogi­ja bi se mo­gla im­ple­men­ti­ra­ti u me­di­cin­ske im­pla­tan­te ili u sen­zo­re ko­ji se mo­gu u o­bli­ku pi­lu­le pro­gu­ta­ti ra­di pri­ku­plja­nja in­for­ma­ci­ja o zdrav­stve­nom sta­nju pa­ci­jen­ta i di­ja­gnos­ti­ke. U tim slučaje­vi­ma ne mo­gu se ko­ris­ti­ti kla­sične ba­te­ri­je za na­pa­ja­nje zbog mo­gućeg pro­pu­šta­nja li­ti­ju­ma, što bi bi­lo opa­sno po ži­vot pa­ci­jen­ta.

Po­se­bno je a­trak­tiv­no ko­rišćenje Wi‑Fi‑a za na­pa­ja­nja bu­duće dis­tri­bu­ira­ne elek­tro­ni­ke. Me­ha­nička i elek­tron­ska svoj­stva dvo­di­men­zi­onal­nih ma­te­ri­ja­la, nji­ho­va de­blji­na re­da ato­ma i spo­so­bnost sin­te­ze ve­li­kih ra­zme­ra mo­gla bi omo­gućiti ra­zvoj tzv. pa­me­tne ko­že, ko­ja bi obične o­bjek­te mo­gla tran­sfor­mi­sa­ti u in­te­li­gen­tnu dis­tri­bu­ira­nu mre­žu sen­zo­ra. Čla­no­vi is­tra­ži­vačkog ti­ma ka­žu da bi mo­gli da na­pra­ve sis­te­me ko­ji se mo­gu o­bmo­ta­ti oko mos­ta ili pre­kri­ti auto‑put, zi­do­ve kan­ce­la­ri­ja ili prak­tično sve oko nas. Biće to sa­svim nov način na­pa­ja­nja elek­tron­skih sis­te­ma bu­dućnos­ti, u ko­me se in­te­li­gen­ci­ja pre­no­si na sve o­bjek­te oko nas.

Autor: Nadežda Veljković