Scoperto il modo per alimentare i dispositivi con le onde radio WiFi e Bluetooth

Sfruttare le onde radio per alimentare i dispositivi elettronici in modalità wireless è una delle nuove frontiere verso i quali i ricercatori stanno da tempo puntando. Conosciamo tutti la ricarica wireless (ad esempio in tecnologia Qi) ma le differenze tra l’approccio tradizionale e quello appena presentato da un team di esperti delle Università di Tohoku (Sendai, Giappone), Singapore e Messina (Italia) sono molte e importanti. Ne parliamo più avanti.

Esaminando il lavoro del team internazionale appena pubblicato su Nature, si comprende come la tecnologia descritta potrebbe trasformare radicalmente il modo con cui alimentiamo i dispositivi elettronici.

Attraverso l’uso della spintronica, gli studiosi hanno messo a punto uno “spin rectifier” su scala nanometrica, capace di generare energia dalle deboli onde radio utilizzate nelle comunicazioni WiFi e Bluetooth. L’obiettivo è quello di permettere il funzionamento dei dispositivi, in futuro, senza batterie o fonti di alimentazione esterne.

Alimentare i dispositivi usando deboli onde radio

Le onde radio sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana, utilizzate anche per trasmettere dati attraverso tecnologie di comunicazione come WiFi, Bluetooth e molte altre. La potenza del segnale è estremamente bassa, solitamente inferiore a -20 dBm, cosa che rende difficile estrarre da esse una quantità significativa di energia.

In passato, non esistevano tecnologie in grado di generare potenza sufficiente da queste deboli onde, almeno per l’alimentazione elettrica di un dispositivo elettronico. Ecco quindi che apparecchiature come i dispositivi per l’Internet delle Cose (IoT) debbono necessariamente disporre di una fonte di energia continua e affidabile.

La svolta tecnologica: lo spin rectifier

Un deciso passo in avanti è arrivato grazie alla spintronica, una branca della fisica che studia il comportamento degli spin degli elettroni all’interno dei materiali. Il team di ricerca accademico ha sviluppato un innovativo dispositivo chiamato “spin rectifier“. Sfrutta le proprietà dei materiali magnetici per convertire l’energia delle onde radio in corrente continua (DC) con un’efficienza senza precedenti.

Lo spin rectifier è costituito da una giunzione a tunnel magnetico (MTJ), un dispositivo formato da strati alternati di materiali magnetici e isolanti, in questo caso composti da cobalto, ferro, boro e ossido di magnesio (MgO). L’efficienza di conversione delle onde radio in energia elettrica è migliorata attraverso un’attenta progettazione della forma del dispositivo, della sua anisotropia magnetica e delle caratteristiche della barriera di tunnel.

Il risultato è sorprendente: utilizzando un solo spin rectifier, i ricercatori sono riusciti a estrarre una tensione continua con un’efficienza di circa 10.000 mV/mW da onde radio con potenza compresa tra -62 dBm e -20 dBm.

In un esperimento successivo, collegando in serie dieci spin rectifier, il team ha ottenuto una conversione di -50 dBm in tensione continua con un’efficienza di 34.500 mV/mW. Questo avanzamento ha permesso ai ricercatori di generare energia sufficiente per alimentare un sensore di temperatura commerciale da una debole onda radio con potenza pari a -27 dBm.

Un salto impressionante per le modalità di raccolta dell’energia

Questo risultato rappresenta un notevole miglioramento rispetto alle tecnologie precedenti. Solo pochi anni fa, nel 2021, lo stesso team aveva dimostrato la possibilità di accendere un LED utilizzando onde radio a 0 dBm. Il nuovo schema spintronico riduce la potenza del segnale necessaria di tre ordini di grandezza, rendendo possibile l’estrazione di energia da segnali radio molto più deboli.

La chiave di questo successo risiede nel fenomeno chiamato “auto-parametric excitation“, un processo in cui l’anisotropia magnetica del materiale varia in risposta alla tensione applicata, amplificando così le vibrazioni magnetiche e migliorando l’efficienza di conversione energetica. Il fenomeno consente di superare le limitazioni delle tecnologie tradizionali, come i diodi Schottky, che mostrano una significativa perdita di efficienza alle basse potenze, a causa dell’instabilità termica.

Implicazioni future e applicazioni

Il potenziale di questa tecnologia è vasto, soprattutto nel contesto IoT. In futuro, potremmo vedere un’ampia diffusione di “edge devices“, dispositivi posti ai margini delle reti di comunicazione che raccolgono e analizzano dati in tempo reale, alimentati esclusivamente da energia raccolta dall’ambiente circostante. Questi dispositivi potrebbero contribuire significativamente a migliorare l’efficienza di infrastrutture critiche come i sistemi di trasporto, la produzione industriale, la logistica e persino la gestione delle emergenze.

La prospettiva di dispositivi elettronici autonomi, che non richiedono batterie o cavi di alimentazione, è particolarmente allettante in un mondo sempre più connesso. La possibilità di implementare sensori e processori ovunque, senza preoccuparsi della loro alimentazione, potrebbe rivoluzionare molti settori, dalla domotica alla sanità, fino alle reti di sensori distribuiti per il monitoraggio ambientale.

Prospettive e sviluppi futuri

Il team di ricerca, che comprende anche il professor Giovanni Finocchio dell’Università di Messina, si concentrerà a questo punto sul miglioramento dell’efficienza di conversione energetica a livello di singolo elemento, l’integrazione del dispositivo con antenne su chip e l’aumento della potenza in uscita mediante combinazioni di connessioni in serie e parallelo di più elementi.

Questi sviluppi potrebbero portare alla realizzazione pratica e alla commercializzazione di dispositivi alimentati esclusivamente dall’energia raccolta dalle onde radio ambientali.

Differenze rispetto alla ricarica wireless

I classici sistemi di ricarica wireless possono essere considerati precursori della tecnologia appena presentata, poiché entrambi i sistemi condividono il principio di trasmettere energia senza l’uso di cavi.

I sistemi di ricarica wireless, come quelli basati su induzione (Qi) o risonanza, utilizzano campi elettromagnetici a bassa frequenza (tipicamente nell’ordine dei kHz e dei MHz) per trasferire energia a breve distanza, solitamente entro pochi millimetri o centimetri. Questi sistemi richiedono una stazione di ricarica dedicata che genera un campo elettromagnetico abbastanza forte da essere captato dal dispositivo, il quale deve trovarsi estremamente vicino (se non appoggiato; si pensi alle basi di ricarica) alla sorgente di energia.

La tecnologia incentrata sulla spintronica, invece, si focalizza sulla raccolta di energia da onde radio di comunicazione a frequenze più alte (nell’ordine dei GHz) e di intensità estremamente bassa, come quelle proprie dei segnali WiFi o Bluetooth. Non richiede una stazione di ricarica dedicata, ma sfrutta l’energia presente nell’ambiente, anche quando i segnali sono molto deboli, per alimentare i dispositivi in modo continuo.

La nuova tecnologia, inoltre, non è pensata per trasferire grandi quantità di energia in breve tempo, ma per estrarre piccole quantità di energia costantemente, anche da segnali molto deboli e sparsi nell’ambiente. Questo la rende ideale per alimentare dispositivi a bassissimo consumo in modo continuo, senza la necessità di ricariche periodiche o la sostituzione delle batterie.

Credit immagine in apertura: iStock.com – evrim ertik