La technologie pourrait permettre d’utiliser les émissions radio des réseaux de téléphonie mobile pour alimenter sans fil des capteurs et des LED.
Des chercheurs ont mis au point une nouvelle antenne basée sur une métasurface qui représente une étape importante pour rendre pratique la récolte d’énergie à partir d’ondes radio, telles que celles utilisées dans les réseaux de téléphonie cellulaire ou les connexions Bluetooth. Cette technologie pourrait potentiellement fournir de l’énergie sans fil à des capteurs, des LED et d’autres dispositifs simples ayant de faibles besoins énergétiques.
“En éliminant les connexions câblées et les batteries, ces antennes pourraient contribuer à réduire les coûts, à améliorer la fiabilité et à rendre certains systèmes électriques plus efficaces”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche, Jiangfeng Zhou, de l’Université de Floride du Sud. “Cela serait utile pour alimenter les capteurs des maisons intelligentes, tels que ceux utilisés pour la température, l’éclairage et le mouvement, ou les capteurs utilisés pour surveiller la structure des bâtiments ou des ponts, où le remplacement d’une batterie pourrait être difficile ou impossible.”
Dans le journal Optical Materials Expressles chercheurs rapportent que les tests en laboratoire de leur nouvelle antenne ont montré qu’elle peut récolter 100 microwatts de puissance, suffisamment pour alimenter des appareils simples, à partir d’ondes radio de faible puissance. Cela a été possible parce que le métamatériau utilisé pour fabriquer l’antenne présente une absorption parfaite des ondes radio et a été conçu pour fonctionner avec de faibles intensités.
Les chercheurs ont testé leur antenne à base de métamatériaux dans une chambre anéchoïque. L’onde radio est émise par l’antenne à cornet à gauche et reçue par l’antenne métamatériau montée sur le cadre en bois à droite. La chambre anéchoïque élimine les signaux de fond provenant d’autres sources et empêche les signaux parasites de la source d’ondes radio de rebondir dans la pièce et de perturber les mesures. L’image de l’antenne à base de métamatériaux est agrandie sur la droite. Crédit : Jiangfeng Zhou et Clayton Fowler
“Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour miniaturiser l’antenne, notre dispositif franchit un seuil clé de 100 microwatts de puissance récoltée avec une efficacité élevée en utilisant les niveaux de puissance ambiante que l’on trouve dans le monde réel”, a déclaré Clayton Fowler, le membre de l’équipe qui a fabriqué l’échantillon et effectué les mesures. “La technologie pourrait également être adaptée de manière à ce qu’une source d’ondes radio puisse être fournie pour alimenter ou charger des appareils dans une pièce.”
Récolter l’énergie de l’air
Les scientifiques essaient de capter l’énergie des ondes radio depuis un certain temps, mais il a été difficile d’obtenir suffisamment d’énergie pour être utile. Cette situation est en train de changer grâce au développement des métamatériaux et au nombre sans cesse croissant de sources ambiantes d’énergie radioélectrique disponibles, comme les réseaux de téléphonie cellulaire, le Wi-Fi, le GPS et les signaux Bluetooth.
“Avec l’énorme explosion des technologies basées sur les ondes radio, il y aura beaucoup de déchets d’émissions électromagnétiques qui pourraient être collectés”, a déclaré Zhou. “Ceci, combiné aux progrès des métamatériaux, a créé un environnement mûr pour de nouveaux dispositifs et applications qui pourraient bénéficier de la collecte de cette énergie résiduelle et la mettre à profit.”
Metamaterials use small, carefully designed structures to interact with light and radio waves in ways that naturally occurring materials do not. To make the energy-harvesting antenna, the researchers used a metamaterial designed for high absorption of radio waves and that allows a higher voltage to flow across the device’s diode. This improved its efficiency at turning radio waves into power, particularly at low intensity.
Testing with ambient power levels
For lab tests of the device, which measured 16 cm by 16 cm, the researchers measured the amount of power harvested while changing the power and frequency of a radio source between 0.7 and 2.0 GHz. They demonstrated the ability to harvest 100 microwatts of power from radio waves with an intensity of just 0.4 microwatts per centimeter squared, approximately the level of intensity of the radio waves 100 meters from a cell phone tower.
“We also placed a cell phone very close to the antenna during a phone call, and it captured enough energy to power an LED during the call,” said Zhou. “Although it would be more practical to harvest energy from cell phone towers, this demonstrated the power capturing abilities of the antenna.”
Because the current version of the antenna is much larger than most of the devices it would potentially power, the researchers are working to make it smaller. They would also like to make a version that could collect energy from multiple types of radio waves simultaneously so that more energy could be gathered.
Reference: “High efficiency ambient RF energy harvesting by a metamaterial perfect absorber” by Clayton Fowler, Sinhara Silva, Grija Thapa and Jiangfeng Zhou, 28 February 2022, Optical Materials Express.
DOI: 10.1364/OME.449494
