Il team di ricerca che ha annunciato la prima rectenna ottica nel 2015 sta ora segnalando un doppio miglioramento dell'efficienza dei dispositivi e il passaggio a materiali a diodi stabili all'aria. I miglioramenti potrebbero consentire alle rectenna, che convertono i campi elettromagnetici a frequenze ottiche direttamente in corrente elettrica, di azionare dispositivi a bassa potenza come i sensori di temperatura.

In definitiva, i ricercatori ritengono che il design del loro dispositivo - una combinazione di un'antenna a nanotubi di carbonio e un raddrizzatore a diodi - potrebbe competere con le tecnologie fotovoltaiche convenzionali per la produzione di elettricità dalla luce solare e da altre fonti. La stessa tecnologia utilizzata nelle rectennas potrebbe anche convertire direttamente l'energia termica in elettricità.

"Questo lavoro fa un significativo balzo in avanti sia nella comprensione fondamentale che nell'efficienza pratica per il dispositivo ottico rectenna, " disse Baratunde Cola, professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Apre questa tecnologia a molti più ricercatori che possono unire le forze con noi per far progredire la tecnologia della rectenna ottica per aiutare a potenziare una gamma di applicazioni, compreso il volo spaziale."

La ricerca è riportata il 26 gennaio sulla rivista Materiali elettronici avanzati . Il lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti nell'ambito del programma Young Investigator, e dalla National Science Foundation.

Le rectenna ottiche funzionano accoppiando il campo elettromagnetico della luce ad un'antenna, in questo caso una matrice di nanotubi di carbonio multiparete le cui estremità sono state aperte. Il campo elettromagnetico crea un'oscillazione nell'antenna, producendo un flusso alternato di elettroni. Quando il flusso di elettroni raggiunge un picco a un'estremità dell'antenna, il diodo si chiude, intrappolando gli elettroni, poi si riapre per catturare l'oscillazione successiva, creando un flusso di corrente.

La commutazione deve avvenire a frequenze terahertz per corrispondere alla luce. La giunzione tra l'antenna e il diodo deve fornire una resistenza minima agli elettroni che fluiscono attraverso di essa mentre è aperta, tuttavia evitare perdite quando è chiuso.

"Il nome del gioco è massimizzare il numero di elettroni che si eccitano nel nanotubo di carbonio, e poi avere un interruttore abbastanza veloce da catturarli al loro apice, " Cola ha spiegato. "Più velocemente si cambia, più elettroni riesci a catturare su un lato dell'oscillazione."

Per fornire una funzione di basso lavoro - facilità di flusso di elettroni - i ricercatori hanno inizialmente utilizzato il calcio come metallo nel loro isolante di ossido - giunzione a diodo metallico. Ma il calcio si scompone rapidamente nell'aria, il che significa che il dispositivo doveva essere incapsulato durante il funzionamento e fabbricato in un vano portaoggetti. Ciò ha reso la rectenna ottica poco pratica per la maggior parte delle applicazioni e difficile da fabbricare.

Allora Cola, Il ricercatore laureato della NSF Erik Anderson e l'ingegnere di ricerca Thomas Bougher hanno sostituito il calcio con l'alluminio e hanno provato una varietà di materiali di ossido sui nanotubi di carbonio prima di stabilirsi su un materiale a doppio strato composto da allumina (Al2O3) e biossido di afnio (HfO2). Il rivestimento combinato per la giunzione dei nanotubi di carbonio, creato attraverso un processo di deposizione atomica, fornisce le proprietà di tunneling elettronico quantistico richieste dalla progettazione delle proprietà elettroniche dell'ossido invece dei metalli, che consente di utilizzare metalli stabili all'aria con funzioni lavorative superiori al calcio.

Le rectenna fabbricate con la nuova combinazione sono rimaste funzionanti fino a un anno. Possono essere utilizzati anche altri ossidi metallici, disse Cola.

I ricercatori hanno anche progettato la pendenza della collina lungo la quale gli elettroni cadono nel processo di tunneling. Ciò ha anche contribuito ad aumentare l'efficienza, e consente l'uso di una varietà di materiali di ossido. Il nuovo design ha anche aumentato l'asimmetria dei diodi, che ha aumentato l'efficienza.

"Lavorando con l'affinità elettronica dell'ossido, siamo stati in grado di aumentare l'asimmetria di oltre dieci volte, rendendo questo design a diodi più attraente, " ha detto Cola. "Ecco dove abbiamo ottenuto il guadagno di efficienza in questa nuova versione del dispositivo."

Le rectenna ottiche potrebbero teoricamente competere con i materiali fotovoltaici per convertire la luce solare in elettricità. I materiali fotovoltaici funzionano secondo un principio diverso, in cui i fotoni battono gli elettroni dagli atomi di determinati materiali. Gli elettroni vengono raccolti in corrente elettrica.

A settembre 2015 sulla rivista Nature Nanotechnology, Cola e Bougher hanno segnalato la prima rectenna ottica - un dispositivo che era stato proposto teoricamente per più di 40 anni, ma mai dimostrato.

La prima versione riportata sulla rivista produceva energia a livelli di microvolt. La rectenna ora produce potenza nell'intervallo dei millivolt e l'efficienza di conversione è passata da 10 (-5) a 10 (-3) - ancora molto bassa, ma un guadagno significativo.

"Sebbene ci sia ancora spazio per miglioramenti significativi, questo mette la tensione nell'intervallo in cui potresti vedere rectennas ottiche che operano sensori a bassa potenza, " Cola ha detto. "Ci sono molti passaggi della geometria del dispositivo che potresti intraprendere per fare qualcosa di utile con la rectenna ottica oggi in dispositivi a tensione che non richiedono una corrente significativa".

Cola crede che le rectenna possano essere utili per alimentare i dispositivi dell'Internet delle cose, soprattutto se possono essere utilizzati per produrre energia elettrica da energia termica recuperata. Per convertire il calore in elettricità, il principio è lo stesso della luce:catturare le oscillazioni in un campo con l'antenna a banda larga con nanotubi di carbonio.

"Le persone sono state entusiaste dei generatori termoelettrici, ma ci sono molte limitazioni su come ottenere un sistema che funzioni in modo efficace, " ha detto. "Crediamo che la tecnologia rectenna sarà l'approccio migliore per la raccolta di calore economicamente".

Nel lavoro futuro, il team di ricerca spera di ottimizzare il funzionamento dell'antenna, e migliorare la loro comprensione teorica di come funziona la rectenna, consentendo un'ulteriore ottimizzazione. Un giorno, Cola spera che i dispositivi aiutino ad accelerare i viaggi nello spazio, produrre energia per i propulsori elettrici che aumenteranno i veicoli spaziali.

"Il nostro obiettivo finale è vedere rectenna ottiche di nanotubi di carbonio che funzionano su Marte e nella navicella spaziale che ci porta su Marte, " Egli ha detto.