3-D-printet terning går ind i energihøst

Omgivende energi, der udsendes af mobiltelefoner og modemer, kan opfanges og konverteres til elektricitet ved hjælp af usædvanligt formet teknologi.

Efterhånden som internetforbundne smartenheder bliver mindre og mere udbredte, udfordringen med at drive dem bliver mere akut. En billig energihøster udviklet hos KAUST kan hjælpe med at genoplade internet-of-things (IoT) gadgets ved hjælp af radiobølger fra trådløse kilder.

En måde, hvorpå forskere miniaturiserer enheder til IoT-applikationer, er gennem en tilgang kaldet system-on-package. Nyligt arbejde har vist, at den beskyttende emballage omkring mikroelektronikenheder kunne bruges til at rumme komponenter, såsom kommunikationsantenner, for væsentligt reducerede omkostninger og pladsbehov.

Atif Shamim, en professor i elektroteknik og en ekspert i energihøst, indså, at system-on-package-principper kunne hjælpe IoT-enheder med at blive mere selvforsynende. Hans team undersøgte strategier til at bygge meget kompakte antenner, der tuner ind på de radiofrekvenssignaler, der udsendes fra mobile og trådløse enheder. De gik derefter sammen med Khaled Salamas gruppe på KAUST for at omdanne denne energi til elektricitet ved hjælp af halvlederdioder.

De fleste radiofrekvenshøstere kan kun udnytte en enkelt del af det trådløse spektrum, såsom 3G-standarden. Shamims hold, imidlertid, har til formål at producere en multibåndsenhed, der kan akkumulere mere energi fra flere kommunikationskilder.

"At bede en antenne om at udføre flere andres arbejde samtidigt er vanskeligt, " bemærker Azamat Bakytbekov, avisens første forfatter. "Du skal sikre dig, at ydeevnen ikke falder på et hvilket som helst frekvenspunkt."

Forskerne vendte sig mod en terningformet pakke og det matematiske koncept med fraktaler - mønstre, der gentager sig fra lille til stor skala - for at bygge deres høstmaskine. Først, holdet 3-D printede et kvadratisk plastiksubstrat og screenprintede derefter fraktalantenner på overfladen ved hjælp af sølvmetal. Endelig, de limede fem af plastikstykkerne sammen til en terning, omkring fem centimeter i størrelse.

Fraktale antenner kan introducere flere resonanser, der giver adgang til bredere dele af radiospektret. Den symmetriske geometri af kuben arbejdede for at forstærke denne effekt ved at samle stråling rundt om kuben. Efterfølgende trådløs spektrumscanning afslørede flere forskellige frekvenser, hvor energihøst kunne fungere.

Eksperimenter i virkelige miljøer viste, at mejetærskeren kunne samle nok radioenergi til at drive små trådløse sensorer. Men den mest interessante begivenhed, ifølge medforfatter, Thang Nguyen, var, da smartphone-brugere gik forbi 3-D-terningen.

"Vi så strømmen samlet af kuben pludselig skyde op, da en person i nærheden lavede et opkald, " siger Nguyen. "Med stigningen i mobilkommunikation, dette koncept gør det muligt at høste mere og mere radiofrekvensenergi."