قد تتمكن تقنية إلكترونية ثنائية الأبعاد جديدة من جمع طاقة الراديو لتشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة، مثل أجهزة السمع وأجهزة الاستشعار وغيرها من الأدوات التي تشكل ما يسمى “إنترنت الأشياء”.
قد تكون مادة شبه موصلة ومرنة ومسطحة يمكنها استخلاص الطاقة من إشارات الراديو التي تخترق البيئات الحضرية، لتكون مصدر الطاقة لجيل جديد من الإلكترونيات.
وفقًا لفريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يمكن لطبقة رقيقة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂ ) ، وهي مادة ثنائية الأبعاد لا يتجاوز سمكها ثلاث ذرات، أن تعمل كهوائي لتحويل إشارات الراديو من شبكات الواي فاي، والهواتف المحمولة، وبث الراديو أو التلفزيون، إلى طاقة للأجهزة اللاسلكية. ويمكن لهذه التقنية أن تُدخل الأجهزة الموفرة للطاقة – مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، وأجهزة السمع، وأجهزة الاستشعار – إلى عالم إنترنت الأشياء.
لن يكون مصدر الطاقة المُستمد من هذه التقنية كافيًا لشحن الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية حتى تُحرز هذه التقنية تقدمًا ملحوظًا. حتى احتياجات الطاقة لسوار Fitbit الإلكتروني ستكون أكبر قليلًا من الطاقة المُستمدة. ولكن قد تكون هناك خطوة صغيرة على طريق توليد الطاقة من إشارات الواي فاي في متناول أيدينا. يقول توماس بالاسيوس، أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “مستقبل الإلكترونيات يُضفي الذكاء على كل شيء في حياتنا، من ملابسنا إلى مكاتبنا إلى بنيتنا التحتية”. ويضيف: “يكمن الحل في كيفية تزويد كل هذه المليارات من الأجهزة بالطاقة”. يعتقد توماس أن الطبقات الرقيقة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم خيار واعد نظرًا لمرونتها وإمكانية إنتاجها بتكلفة منخفضة عن طريق الطباعة باستخدام بكرات آلية.
قدم فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة مرنة قادرة على استخلاص الطاقة الراديوية بترددات تصل إلى 10 جيجاهرتز، وهي ترددات تغطي نطاقي 2.4 جيجاهرتز و5 جيجاهرتز الشائعين، واللذين ينقلان إشارات الواي فاي وغيرها من إشارات الاتصالات اللاسلكية. تُعد المرونة سمة أساسية للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، وكذلك للعديد من تطبيقات الاستشعار الأخرى، ولكن بشكل عام، تمتص المواد المرنة الأخرى القليل من الطاقة الراديوية بترددات أعلى من 1.6 جيجاهرتز، مما يحد من قدرتها على استخلاص الطاقة. يقول بالاسيوس إن أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد قادرة على استخلاص ما بين 30 و50 ميكرونًا من إشارات الواي فاي في بيئة محيطة يبلغ قطرها حوالي 100 ميكرون، وهو ما يكفي لتشغيل أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة السمع، وأجهزة استشعار المشاعر والتوتر، وأجهزة الاتصالات، والعديد من أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة. يمكن لهذا النظام العمل بدون بطارية، مما يجعله خفيف الوزن، ويتجنب مشاكل مثل تسرب الطاقة من مصدر جهاز طبي مزروع داخل الجسم.
يتحدث ديجي أكينواندو، مهندس الكهرباء والحاسوب من جامعة تكساس في أوستن، والذي لم يشارك في هذا العمل، عن إنجاز فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يقول: “هذا عرضٌ أوليٌّ هامٌّ لتقنية استخلاص الطاقة من إشارات الواي فاي المحيطة. وقد بدا الأمر أكثر إثارةً للاهتمام لأن كل شيءٍ مُدمجٌ في نفس الركيزة المرنة. ويتمثل التحدي التالي في زيادة كفاءة الأجهزة لإنتاج المزيد من الطاقة لتشغيل تطبيقات الهواتف المحمولة الحديثة.”
توجد بالفعل أنظمة لتجميع الطاقة تُستخدم لتشغيل أجهزة أخرى تعمل عن بُعد، مما يُغني عن الحاجة إلى استبدال البطارية بشكل متكرر. يقول أندرياس شنايدر، الرئيس التنفيذي لشركة EnOcean الألمانية، وهي شركة مصنعة لأجهزة ذاتية التشغيل بدون بطاريات، والتي لم تشارك في البحث: “تستمد معظم الأنظمة الحالية طاقتها من الضوء أو فروق درجات الحرارة أو الطاقة الحركية”. ويضيف أن الخلايا الكهروضوئية يمكنها الحصول على طاقة ضوئية كافية لتشغيل الأجهزة الداخلية بمستويات إضاءة تصل إلى 100 لوكس، أي ما يُعادل تقريبًا مستوى إضاءة صالات الألعاب الإلكترونية وأقل من ثلث مستويات إضاءة المكاتب القياسية. كما أن الضغط على مفتاح ميكانيكي يُمكن أن يُنتج طاقة كافية لإرسال إشارة لتشغيل مصباح في الغرفة أو في الطابق العلوي. ويمكن لتدرجات درجات الحرارة على طول أنابيب المياه الساخنة أن تُرسل إشارات إلى نظام التدفئة. ومع ذلك، وجدت الشركة أن طاقة إشارة الراديو المحيطة غير كافية لتشغيل الأجهزة الحالية ما لم تتم إضافة أجهزة إرسال راديو محلية إضافية، وهو ما يقول شنايدر: “لا يُنصح بالاقتراب منها” بسبب المخاوف من أن تصل مستويات المجالات الكهرومغناطيسية إلى مستويات قد تُضر بالصحة.
وبالنظر إلى مستقبل شبكات الجيل الخامس اللاسلكية وإنترنت الأشياء، يقول بالاسيوس: “يمكنك استخدام الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة، لكن ضوء الشمس لا يتوفر إلا خلال النهار. لذا فإن الخيار الآخر هو استغلال الطاقة الموجودة بالفعل في إشارات الترددات الراديوية، مثل الواي فاي، والتي تملأ معظم الوقت.”
تجمع أجهزة حصاد الطاقة اللاسلكية وأجهزة استقبال الإشارات اللاسلكية الطاقة عندما تتفاعل موجات الراديو مع الهوائيات. تجذب القوى الكهرومغناطيسية الإلكترونات في المادة الموصلة ذهابًا وإيابًا، مما يولد تيارًا كهربائيًا يتناوب اتجاهه مع الطور المتناوب للموجات. ترسل الهوائيات التي تجمع الإشارات لأجهزة استقبال الإشارات اللاسلكية إشارات متذبذبة إلى دوائر كهربائية، والتي بدورها تضخم الإشارات، محولةً إياها إلى ترددات صوتية أو مرئية. ترسل الهوائيات التي تلتقط طاقة الراديو تيارًا متذبذبًا إلى جهاز إلكتروني يُسمى “المقوم”، والذي يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط، محولًا التيار المتردد الوارد إلى تيار مستمر يمكنه تشغيل الأجهزة الإلكترونية أو شحن البطاريات.
عادةً ما تكون مقومات التيار من أشباه الموصلات، بينما تُصنع الهوائيات عادةً من المعادن وتتميز بموصلية عالية. يقول بالاسيوس إن ثاني كبريتيد الموليبدينوم “شبه موصل جيد جدًا”. يمكن تعديله لجعله عالي الموصلية، بحيث يمكنه العمل كهوائي ومقوم تيار في آن واحد، وهو جهاز يُسمى “مقوم هوائي” (rectenna)، أي هوائي ومقوم في جهاز واحد، وقد تم اختراعه في الستينيات ويُستخدم الآن لتحديد الأجهزة والأشياء باستخدام ترددات الراديو (RFID)، وفي البطاقات الذكية.
تتكون معظم أجهزة Rectina الحالية من رقائق صغيرة صلبة مصنوعة من أشباه موصلات غير مرنة، مثل السيليكون، تتميز باستجابة ترددية جيدة، ولكنها تعاني من بعض العيوب. يُعد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أول فريق يصنع أجهزة Rectina كبيرة ومرنة قادرة على توليد الطاقة من ترددات الراديو غير المرخصة الشائعة الاستخدام والتي تصل إلى 10 جيجاهرتز، دون الحاجة إلى جهد بطارية لبدء العملية. تُعد المرونة والرقة من السمات الأساسية لاستخدامها في الأجهزة القابلة للارتداء و”الأسطح الخارجية الذكية”، والتي يمكن استخدامها في البنية التحتية أو الطائرات أو غيرها من المعدات للمراقبة المستمرة، أو كجزء من شبكة موزعة من أجهزة الاستشعار الذكية. يمكن تصنيع طبقات بسماكة ثلاث ذرات فقط باستخدام عملية شائعة الاستخدام في صناعة أشباه الموصلات، بتكلفة منخفضة، وعلى مساحة واسعة، مع الحفاظ على قدرتها على العمل بترددات عالية جدًا، وهي عملية الترسيب الكيميائي للبخار.
لم تخرج هذه التقنية بعد من المختبر. يجب زيادة حجم الإنتاج، ودمج الطبقات الرقيقة مع الأجهزة التي ستزودها بالطاقة. ومن التحديات الأخرى تصميم أجهزة تعمل بـ 12 ميكرومترًا فقط. لكن من المتوقع أن يشهد بالاسيوس أولى استخداماتها التجارية في غضون خمس إلى سبع سنوات. يقول: “الشيء الأساسي المطلوب هو زيادة الطاقة الإنتاجية. نحتاج إلى تطوير منهجية تسمح لنا بتصنيع أجهزة استشعار على مساحة واسعة جدًا، بتكلفة منخفضة”. تشمل الاستخدامات الإضافية التي يتوقعها بالاسيوس إضاءة شاشات صغيرة من خلال توفير 30 إلى 50 ميكرونًا من الطاقة، وربط الأجهزة الطبية القابلة للزرع بشاشات خارجية. بالنسبة لبعض التطبيقات على الأقل، يمكن بالفعل استخلاص الطاقة من الإشارات الخفية في الهواء المحيط.
