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.

L’électricité de l’air, une nouvelle source d’énergie ?

Imaginez un dispositif de capture d’électricité de l’air – un peu comme la cellule solaire capte la lumière du soleil – avant de la réutiliser à usages domestiques ou pour recharger tout simplement votre voiture électrique !

Imaginez des panneaux similaires sur les toits des bâtiments pour prévenir de la foudre. Aussi étrange que cela puisse paraître, les scientifiques sont déjà dans les premiers stades de développement de tels dispositifs, selon un rapport présenté lors de la 240e réunion de l’American Chemical Society (ACS).

« Notre recherche pourrait ouvrir la voie vers des systèmes de conversion d’électricité présent dans l’atmosphère en une future source d’énergie alternative », a déclaré l’un des auteurs de l’étude, le professeur Fernando Galembeck. Sa découverte pourrait aider à comprendre une énigme scientifique vieille de 200 ans, sur la façon dont l’électricité est produite et déchargée dans l’atmosphère. “Tout comme l’énergie solaire pourrait éviter certains ménages de payer leurs factures d’électricité, cette source d’énergie prometteuse pourrait avoir un effet identique“, a-t-il affirmé.

Les scientifiques ont longtemps cru que les gouttelettes d’eau dans l’atmosphère étaient électriquement neutre, et le restait même après avoir été en contact avec des charges électriques en provenance de particules de poussière et autres gouttelettes liquides.

Mais de nouvelles preuves suggèrent que l’eau atmosphérique récupérerait réellement une charge électrique. Le professeur Galembeck et ses collègues ont confirmé cette idée, grâce à des expériences en laboratoire où l’eau est entrée en contact avec des particules de poussière. Ils ont utilisé de minuscules particules de silice et de phosphate d’aluminium, deux substances existantes dans l’air. Ils ont montré que la silice est devenue plus chargée négativement en présence d’une humidité élevée tandis que le phosphate d’aluminium est devenu plus chargé positivement.

Selon Fernando Galembeck, à l’avenir, “il est tout à fait envisageable de développer des collecteurs en charge de capturer l’hygro-électricité et de l’acheminer dans les foyers et les entreprises“. Tout comme les cellules solaires sont plus efficaces dans les régions ensoleillées, les panneaux hygro-électriques seraient plus efficaces dans des zones à fortes humidités, comme les États du nord et du sud des Etats-Unis et dans les zones tropicales humides.

Pour alimenter sans batterie les appareils connectés du quotidien ou des implants en médecine, les derniers travaux des ingénieurs du MIT portent sur des antennes microscopiques capables de convertir un signal radio en un courant électrique.

Notre environnement est saturé d'ondes en tous genres utilisés par nos appareils pour communiquer sans fil, mais dont la puissance est, en grande partie, perdue et qui finit absorbée par l'environnement. Une équipe de chercheurs, provenant notamment du Massachusetts Institute of Technology (MIT), vient de publier, dans la revue scientifique Nature, un article dévoilant une nouvelle technologie destinée à transformer les ondes de type Wi-Fi en courant électrique pour alimenter les appareils électroniques.

L'idée est la même que celle utilisée par le constructeur Wiliot, présentée récemment. Dans ce cas précis, l'utilisation des ondes avait pour but d'alimenter une puce Bluetooth basse consommation pour créer des étiquettes sans-fil et sans batterie. Les antennes sont conçues uniquement pour délivrer quelques microwatts à un appareil spécifique, à l'inverse de la technologie développée par le MIT qui peut s'adapter à des usages beaucoup plus diversifiés.
Une technologie utilisable à grande échelle

Tomás Palacios, l'un des coauteurs de l'article, pose la question qui a guidé les recherches : « Et si l'on pouvait développer des systèmes électroniques recouvrant un pont ou une autoroute, ou bien les murs du bureau, apportant l'intelligence électronique à tout ce qui nous entoure ? Comment alimenter ces appareils électroniques ? »

La technologie se base sur les antennes redresseuses, qui convertissent les ondes des fréquences radio en courant continu. Les chercheurs ont développé un système contenant une antenne radioélectrique flexible, qui convertit les ondes électromagnétiques en courant, cette fois-ci alternatif. Le signal passe alors par un semi-conducteur en deux dimensions, épais de seulement quelques atomes, pour être transformé en, courant continu. La flexibilité de ce système lui permet d'être produit sous forme de rouleaux, laissant la possibilité d'en recouvrir de grandes surfaces, comme les ponts ou les autoroutes pour reprendre l'exemple du scientifique.

Pour cela, les chercheurs ont fait appel au disulfure de molybdène (MoS₂). Après avoir été exposé à certains produits chimiques, les atomes se réorganisent de manière à créer une diode Schottky. Celle-ci permet de convertir des signaux jusqu'à 10 gigahertz, en minimisant la résistance série et la capacité parasite. Selon Xu Zhang, l'auteur principal de l'article, « une telle conception a permis de créer un appareil entièrement flexible, suffisamment rapide pour couvrir la plupart des bandes de radiofréquences utilisées par nos appareils électroniques du quotidien, comme le Wi-Fi, le Bluetooth, les réseaux mobiles, et bien d'autres. »

De nombreuses applications possibles

Les premiers prototypes ont une efficacité maximale d'environ 40 %, en comparaison d'appareils similaires existants en silicium ou arséniure de gallium, qui peuvent atteindre des taux de conversion de 50 ou 60 %, mais qui sont rigides et beaucoup plus chers à produire. Pour une utilisation typique, ces nouveaux appareils ont pu produire environ 40 microwatts lorsqu'ils sont exposés à un signal Wi-Fi standard (environ 150 microwatts).

Dans un premier temps, cette technologie peu coûteuse pourrait être utilisée pour créer des appareils souples qui peuvent être portés, comme des appareils médicaux ou des objets connectés. Par exemple, de nombreux constructeurs travaillent actuellement sur des smartphones pliables, même si cette forme d'alimentation ne serait pas encore assez puissante à l'heure actuelle. Des chercheurs travaillent aussi déjà sur de minuscules appareils médicaux sous forme de cachets, qui communiquent sans-fil, et qui ne contiendraient pas de batterie potentiellement toxique pour le patient.

Une onde électromagnétique est une forme de transfert d'énergie composée par deux champs :

• Un champ magnétique (force résultant du déplacement des charges mesurée en µT).
• Un champ électrique (force crée par l'attraction de la répulsion de charges que l’on mesure en Volts par mètre - V/m).

Ces champs alternatifs utilisent le photon comme particule élémentaire pour transmettre la force. Ces photons ont une énergie déterminée suivant la longueur d'onde de la lumière. Les ondes électromagnétiques se déplacent sans se déformer, sans emporter de matière, elles sont donc idéales pour transporter toutes formes d'information.

Utilisé massivement pour les transmissions de données des radios, de la télévision, de la télécommunication pour les téléphones portables (GSM, la 3G, la 4G), du wifi, des radars ou même du Bluetooth, cela a pour conséquence une augmentation de 15% chaque année des ondes électromagnétiques qui saturent notre environnement, cette croissance garantit une source d’énergie suffisante et stable à recycler. Puisque toutes les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie, il suffit de la capter à l'aide d'une antenne spécifique et de la convertir en courant continu.

L'induction est un transfert d'énergie entre une source d'électricité et un objet qui n'a aucun contact physique avec la source électrique. Lorsque des particules ayant une charge électrique sont en mouvement elles génèrent un champ magnétique en plus du champ électrique. Ces deux forces sont couplées sous le terme de force ou interaction électromagnétique. est l'induction magnétique exprimé en T (référence à Nikola Tesla qui est à l'origine de la production électrique par induction).

L'utilisation des métamatériaux a augmenté les performances et la miniaturisation de tous nos systèmes d'antennes équipant les produits SQUID. Ils fonctionnent de façon autonome, écologique et respectueuse avec cette source d'énergie renouvelable.

LE PRINCIPE DE RECUPERATION DE L’ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE AMBIANTE
La Rectenna est une antenne redresseuse utilisée pour recevoir et convertir l'énergie des micro-ondes en courant continu. Inventée en 1964 par William C. Brown et brevetée en 1969, elle se compose d'une antenne dipôle et d'une diode RF connecté entre les éléments dipolaires. La diode redresse le courant alternatif des micro-ondes induit dans l'antenne pour produire du courant continu à ses bornes.

LE PROGRAMME BIOSPHERE

Il existe des technologies et savoir-faire innovants, accessibles à tous et durables pour répondre à nos besoins tels que la production d'énergie, de nourriture ou encore le recyclage des déchets. Depuis près de 10 ans, leLow-tech Laben repère des dizaines à travers le monde. L'association les a documentés et diffusés gratuitement via internet, des livres et des films.

En 2018, Corentin de Chatelperron lance le programme "Biosphère" en expérimentant une combinaison d'innovations low-tech sur uneplateforme flottanteen Thaïlande. Véritable "explorateur de mode de vie", sa quête est de trouver un mode de vie qui soit à la fois désirable et durable pour le futur.

En 2023 il mène uneseconde expérienceavec la designer belge Caroline Pultz, cette fois en milieu aride, dans le désert mexicain. Culture de champignons, de plantes et d’algues, utilisation de l'énergie solaire, matériaux biosourcés, utilisation de l'eau en circuit fermé... Sur 60m², l'écosystème de cette nouvelle Biosphère est un habitat qui ne génère plus de déchets, mais des ressources. Des dizaines d'experts ont été mobilisés pour cette expérience, du médecin au nutritionniste, en passant par des spécialistes du vivant, de la cuisine écologique ou encore de la tente.
PROCHAINE EXPERIENCE :
UNE BIOSPHERE URBAINE !

En 2024, l'équipe s'attaquera à un nouveau défi : appliquer la démarche low-tech à un milieu urbain dense, en région parisienne. L'objectif est de concevoir un mode de vie qui ne produise pas de déchets, divise par 10 la consommation d'eau, réponde aux objectifs 2050 de l'ONU pour les émissions de gaz à effet de serre, et qui soit à la fois désirable et accessible à tous ! Au cœur de l'expérience, un appartement futuriste low-tech, relié à un écosystème d'une vingtaine d'acteurs de différents domaines : élevage de larves pour le recyclage des déchets organiques, culture de champignons et de jeunes pousses pour l'alimentation, production de biogaz pour la cuisine, fablab pour la production et la réparation d'objets, supermarché collaboratif, ferme bio, etc. Pendant 4 mois ce mode de vie à la fois prospectif et réaliste sera mis à l'épreuve afin de réfléchir au futur des villes. Le projet sera documenté via des rapports techniques et des documentaires grand public pour la télévision et Internet.