Technologia 5G przyniosła obietnicę „internetu rzeczy” (internet of things, w skrócie IoT). Miniaturowe czujniki mogą być umieszczane na różnych obiektach, żeby się ze sobą (i nami) komunikować. Jednak komunikacja za pośrednictwem fal radiowych wymaga źródła energii.

Okazuje się, że można wykorzystać fale radiowe do przekazywania informacji i zasilania jednocześnie. Zasadę tę wykorzystuje się w technologii RFID (radio frequency identification). Spotykamy ją na przykład w kartach dostępu czy naklejkach chroniących co cenniejsze produkty w sklepach przed kradzieżą. Czipy RFID czerpią zasilanie z anten nadajników.

Ale można obyć się także bez nadawania fal radiowych. Obecne są przecież niemal wszędzie. Wysyłają je ciągle nadajniki telewizyjne, radiowe, routery WiFi. Nie jest to zbyt obfite źródło energii – ale jest za darmo i nie wymaga gniazdek ani kabli.

Każdy może sobie wydrukować antenę zbierającą energię z powietrza

Naukowcom z Georgia Institute of Technology, Nokia Bell Labs oraz Heriot-Watt University udało się osiągnąć sposób na łatwe wykorzystanie fal radiowych w paśmie 5G, czyli 24/28 GHz (gigaherców). Dzięki ich pomysłowi potrzebny będzie do tego tylko jeden tranzystor zamiast wielu.

– Nasze przełomowe osiągnięcie polega na komunikacji w paśmie 5G, czyli milimetrowych długości fali. Potrzebny jest do tego jeden tranzystor milimetrowy, reszta elektroniki może nadal pracować na niższych częstotliwościach, takich jak w sieci komórkowej czy urządzeniach WiFi – tłumaczy Ioannis Kimionis, autor pracy opublikowanej w „Nature Electronics”, doktorant Georgia Tech pracujący też w Nokia Bell Labs.

Co najciekawsze, rozwiązanie jest tak proste, że można je sobie wydrukować na drukarce 3D. Obniża to koszty produkcji i pozwoli produkować anteny amatorom w warunkach domowych.

Sposób ten można połączyć z innym niedawnym wynalazkiem opracowanym na uczelni. Jest to specjalna konstrukcja anten, która zbiera fale radiowe niczym soczewka (jest zresztą nazywana soczewką Rotmana od nazwiska jej wynalazcy). Zespołowi udało się opracować takie anteny działające w zakresie fal milimetrowych, czyli właśnie 5G.

Sieć 5G jako źródło darmowego zasilania dla urządzeń elektronicznych

Fale milimetrowe są krótsze niż inne fale radiowe, niosą więc ze sobą więcej energii. Jednak im krótsze fale, tym trudniej je zebrać. Wymaga to zwykle specjalnych konstrukcji zawierających diody (to tzw. anteny prostownicze) i precyzyjnego nakierowania ich na źródło fal. Sposób opracowany na Georgia Tech ten problem rozwiązuje. W marcu tego roku badacze zademonstrowali, że ich antena pozwala zebrać ponad 20-krotnie więcej mocy niż anteny tradycyjne.

Do czego to się przyda? Dzięki obu odkryciom będzie można zasilać układy scalone umieszczone w niewielkich etykietach lub naklejkach. Opakowania będą mogły choćby informować nas (lub inteligentne lodówki), że kończy się termin przydatności danego produktu. Inteligentne etykiety będą też niezwykle pomocne w transporcie czy logistyce. Ale będzie można też tworzyć inteligentne czujniki przydatne w medycynie, które nie będą wymagały zasilania.

Być może będzie można też naładować telefon bez podłączania go do ładowarki – za pomocą fal sieci 5G z otoczenia. – Prowadziłem badania nad zbieraniem energii [z fal radiowych] przez przynajmniej sześć lat i przez większość tego czasu wydawało się, że ten sposób nie znajdzie zastosowania – mówił wtedy Jimmy Hester, jeden z autorów wynalazku.

Problem polegał na tym, że istniejące przepisy ograniczają moc nadajników fal sieci komórkowych ze względów bezpieczeństwa. – Z  nadejściem sieci 5G okazało się, że to może rzeczywiście działać i udało nam się to zademonstrować. To bardzo ekscytujące, że będziemy mogli się pozbyć baterii z sensorów – dodawał.

Amerykańska armia chyba też nie może się tego doczekać – projekt badawczy finansowano częściowo w Laboratorium Badawczym Amerykańskich Sił Powietrznych.

Źródła: Nature Electronics, Georgia Tech [1] i [2].