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Un dispositif capable de convertir les signaux Wi-Fi en électricité grâce à de nouveaux matériaux

Une équipe de chercheurs du MIT, en collaboration avec d’autres scientifiques à travers le monde, ont développé un dispositif capable de convertir les signaux Wi-Fi en électricité. Composé de matériaux flexibles et peu coûteux, il pourrait alimenter différents équipements électroniques : des dispositifs portables (smartphones, ordinateurs), des appareils médicaux, et trouver bien d’autres utilités.

Qui ne rêverait pas d’un monde dépourvu de fils électriques (ainsi que des encombrants chargeurs qui vont avec) et de batteries/piles ? Un monde dans lequel vos principaux dispositifs électroniques portables (smartphone, ordinateur, ou tout autre périphérique portable) ne nécessiteraient pas de chargeur filaire, voire même aucune batterie, car constamment alimentable par Wi-Fi.

Des chercheurs du MIT, en collaboration avec d’autres universités de différents pays, ont fait un important pas en avant dans cette direction, en mettant au point le premier dispositif totalement flexible capable de convertir l’énergie des signaux Wi-Fi en électricité. Il permet déjà d’alimenter différents objets électroniques.

Les appareils qui convertissent les ondes électromagnétiques en courant continu sont appelés « antennes redresseuses » (rectennas en anglais). Les chercheurs ont mis au point un nouveau type d’antenne redresseuse, qu’ils ont décrit dans une étude publiée dans la revue Nature.

Le système est muni d’une antenne à radiofréquence (RF) flexible qui capture les ondes électromagnétiques — y compris les ondes Wi-Fi — et les restitue sous forme de courant électrique alternatif (en premier lieu). L’antenne est connectée à un dispositif récemment développé et constitué d’un semi-conducteur bidimensionnel de quelques atomes d’épaisseur. Le signal alternatif circule dans le semi-conducteur, qui le convertit alors en un courant continu. Il peut alors être utilisé pour alimenter des circuits électroniques en tout genre, ou pour recharger des batteries.

De cette manière, le dispositif capture et transforme de manière passive les signaux Wi-Fi omniprésents en un courant continu directement exploitable. De plus, il est flexible et peut être produit en rouleaux : il permet ainsi d’être facilement déployé sur de très grandes surfaces.

« Et si nous pouvions développer des systèmes électroniques qui entourent un pont ou couvrent une autoroute entière, ou les murs de notre bureau, et apportions une ´intelligence électronique´ à tout ce qui nous entoure ? Comment fournirions-nous l’énergie nécessaire à ces composants électroniques ? » déclare Tomás Palacios, co-auteur de l’étude, professeur au département de génie électrique et informatique et directeur du centre MIT/MTL pour les dispositifs à graphène et les systèmes 2D. « Nous avons mis au point un nouveau moyen d’alimenter les systèmes électroniques du futur – en exploitant l’énergie Wi-Fi, et de façon à pouvoir aisément déployer la technologie dans de vastes zones ».

Les premières applications prometteuses du projet proposé comprennent l’alimentation de produits électroniques flexibles et portables, de dispositifs médicaux et de capteurs pour « l’Internet des objets ». Les smartphones flexibles, par exemple, constituent un nouveau marché prometteur pour les grandes entreprises de technologie.

Lors d’expériences, l’appareil des chercheurs pouvait produire environ 40 microwatts de puissance lorsqu’il était exposé aux niveaux de puissance typiques des signaux Wi-Fi (environ 150 microwatts). C’est plus que suffisant pour allumer une LED ou piloter des puces de silicium.

Jesús Grajal, chercheur à l’Université technique de Madrid, explique également le potentiel de la transmission de données de dispositifs médicaux implantables. Par exemple, les chercheurs commencent à mettre au point des pilules pouvant être avalées par les patients et permettent de transférer les données relatives à la santé sur un ordinateur, à des fins de diagnostic.

« Idéalement, nous ne voulons pas utiliser de piles pour alimenter ces systèmes médicaux, car s’il y a une fuite de lithium, le patient peut en mourir », explique Grajal. « Il est bien préférable de récupérer l’énergie de l’environnement pour alimenter ces petits laboratoires situés à l’intérieur du corps, et communiquer des données à des ordinateurs externes ».

Comme leur nom le laisse deviner, les antennes redresseuses exploitent un composant indispensable appelé « redresseur », qui convertit le signal alternatif initialement obtenu (AC) en courant continu (DC).

Les redresseurs contenus dans les rectennas traditionnelles exploitent le silicium ou l’arséniure de gallium. Ces matériaux peuvent couvrir la bande Wi-Fi, mais ils sont rigides. Et, bien que l’utilisation de ces matériaux pour fabriquer de petits dispositifs soit relativement peu coûteuse, leur utilisation pour couvrir de vastes surfaces, telles que les façades des bâtiments et les murs, représenterait un coût prohibitif.

Les chercheurs tentent donc de résoudre ces problématiques depuis longtemps. Les quelques rectennas flexibles développées jusqu’à présent fonctionnent uniquement avec les basses fréquences et ne peuvent ni capter, ni convertir les signaux en gigahertz — la plage de fréquences où se situent la plupart des signaux de téléphones portables et Wi-Fi.

Pour contrer le problème, les chercheurs ont utilisé un nouveau matériau 2D appelé « disulfure de molybdène » (MoS2), qui, avec une épaisseur de seulement trois atomes, est l’un des semi-conducteurs les plus minces au monde.

L’équipe a utilisé un comportement singulier du MoS2 : exposés à certains produits chimiques, les atomes du matériau se réarrangent de manière à agir comme un commutateur, forçant une transition de phase d’un semi-conducteur à un matériau métallique. La structure résultante est connue sous le nom de diode Schottky, qui n’est autre que la jonction d’un semi-conducteur avec un métal.

« En transformant le MoS2 en une jonction de phase semi-conductrice-métallique 2D, nous avons construit une diode Schottky ultramoderne et ultra-mince, qui minimise simultanément la résistance en série et la capacité parasite », déclare Xu Zhang, auteur principal de l’étude et postdoctorant à l’EECS.

La capacité parasite est une situation inévitable en électronique, où certains matériaux stockent un peu de charge électrique, ce qui ralentit le circuit. Une capacité inférieure résulte donc en des vitesses de redressement accrues et des fréquences de fonctionnement plus élevées. La capacité parasite de la diode Schottky développée par les chercheurs, est inférieure d’un ordre de grandeur à celle des redresseurs flexibles les plus modernes. De ce fait, elle est donc beaucoup plus rapide à la conversion du signal, et cela lui permet de capturer et convertir des signaux d’une fréquence allant jusqu’à 10 gigahertz.

« Une telle conception a permis de créer un appareil totalement flexible et suffisamment rapide pour couvrir la plupart des bandes de radiofréquences utilisées par nos systèmes électroniques quotidiens, notamment le Wi-Fi, le Bluetooth, la LTE cellulaire et bien d’autres », explique Zhang.

Le travail présenté ici fournit un point de départ pour d’autres dispositifs flexibles permettant une conversion Wi-Fi—électricité avec un rendement et une efficacité remarquables.

Le rendement de conversion pour le périphérique actuel est de 40% (au maximum), et varie en fonction de la puissance d’entrée (celle du signal Wi-Fi capté). Avec un niveau de puissance Wi-Fi typique, l’efficacité du redresseur MoS2 est d’environ 30%. À titre de référence, les rectennas d’aujourd’hui (en silicium ou en arséniure de gallium), plus coûteuses et rigides, atteignent un rendement d’environ 50 à 60%. La technologie est donc déjà très prometteuse.

L’équipe prévoit maintenant de construire des systèmes plus complexes et d’améliorer le rendement du dispositif, afin de se rapprocher au maximum (dans un premier temps) de celui des dispositifs rigides actuels. Ce projet évoque quelque chose de très prometteur, et nous nous réjouissons donc de la suite, que nous ne manquerons pas de partager avec vous.


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