El equipo de investigación que anunció la primera rectenna óptica en 2015 ahora informa una mejora de la eficiencia del doble en los dispositivos y un cambio a materiales de diodos estables al aire. Las mejoras podrían permitir que las rectennas, que convierten los campos electromagnéticos en frecuencias ópticas directamente en corriente eléctrica, operen dispositivos de baja potencia como sensores de temperatura.

Por último, los investigadores creen que el diseño de su dispositivo, una combinación de una antena de nanotubos de carbono y un rectificador de diodo, podría competir con las tecnologías fotovoltaicas convencionales para producir electricidad a partir de la luz solar y otras fuentes. La misma tecnología utilizada en las rectennas también podría convertir directamente la energía térmica en electricidad.

"Este trabajo supone un avance significativo tanto en la comprensión fundamental como en la eficiencia práctica del dispositivo óptico de la rectenna, "dijo Baratunde Cola, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff del Instituto de Tecnología de Georgia. "Abre esta tecnología a muchos más investigadores que pueden unir fuerzas con nosotros para avanzar en la tecnología de rectenna óptica para ayudar a impulsar una variedad de aplicaciones, incluido el vuelo espacial ".

La investigación aparece el 26 de enero en la revista Materiales electrónicos avanzados . El trabajo ha sido apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. En el marco del Programa de Jóvenes Investigadores, y por la National Science Foundation.

Las rectenas ópticas funcionan acoplando el campo electromagnético de la luz a una antena, en este caso, una serie de nanotubos de carbono de paredes múltiples cuyos extremos se han abierto. El campo electromagnético crea una oscilación en la antena, produciendo un flujo alterno de electrones. Cuando el flujo de electrones alcanza un pico en un extremo de la antena, el diodo se cierra, atrapando los electrones, luego se vuelve a abrir para capturar la siguiente oscilación, creando un flujo de corriente.

La conmutación debe ocurrir a frecuencias de terahercios para que coincida con la luz. La unión entre la antena y el diodo debe proporcionar una resistencia mínima a los electrones que fluyen a través de ella mientras está abierta, pero evite las fugas mientras está cerrado.

"El nombre del juego es maximizar la cantidad de electrones que se excitan en el nanotubo de carbono, y luego tener un interruptor que sea lo suficientemente rápido para capturarlos en su punto máximo, "Cola explicó." Cuanto más rápido cambies, cuantos más electrones pueda atrapar en un lado de la oscilación ".

Para proporcionar una función de trabajo baja (facilidad de flujo de electrones), los investigadores inicialmente usaron calcio como el metal en su aislante de óxido - unión de diodo metálico. Pero el calcio se degrada rápidamente en el aire, lo que significa que el dispositivo tuvo que encapsularse durante el funcionamiento y fabricarse en una guantera. Eso hizo que la rectenna óptica fuera poco práctica para la mayoría de las aplicaciones y difícil de fabricar.

Entonces Cola, El investigador graduado de la NSF Erik Anderson y el ingeniero investigador Thomas Bougher reemplazaron el calcio con aluminio y probaron una variedad de materiales de óxido en los nanotubos de carbono antes de asentarse en un material bicapa compuesto de alúmina (Al2O3) y dióxido de hafnio (HfO2). El revestimiento combinado para la unión de nanotubos de carbono, creado a través de un proceso de deposición atómica, proporciona las propiedades de túnel de electrones de la mecánica cuántica requeridas por la ingeniería de las propiedades electrónicas del óxido en lugar de los metales, lo que permite utilizar metales estables al aire con funciones de trabajo superiores al calcio.

Las rectennas fabricadas con la nueva combinación han permanecido funcionales hasta por un año. También se podrían utilizar otros óxidos metálicos, Dijo Cola.

Los investigadores también diseñaron la pendiente de la colina por la que caen los electrones en el proceso de tunelización. Eso también ayudó a aumentar la eficiencia, y permite el uso de una variedad de materiales de óxido. El nuevo diseño también aumentó la asimetría de los diodos, que impulsó la eficiencia.

"Al trabajar con la afinidad del electrón de óxido, pudimos aumentar la asimetría en más de diez veces, haciendo que este diseño de diodo sea más atractivo, ", dijo Cola." Eso es realmente de donde obtuvimos el aumento de eficiencia en esta nueva versión del dispositivo ".

Teóricamente, las rectennas ópticas podrían competir con los materiales fotovoltaicos para convertir la luz solar en electricidad. Los materiales fotovoltaicos funcionan con un principio diferente, en el que los fotones golpean a los electrones de los átomos de ciertos materiales. Los electrones se recogen en corriente eléctrica.

En septiembre de 2015 en la revista Nature Nanotechnology, Cola y Bougher informaron sobre la primera rectenna óptica, un dispositivo que se había propuesto teóricamente durante más de 40 años, pero nunca demostrado.

La primera versión publicada en la revista producía energía a niveles de microvoltios. La rectenna ahora produce energía en el rango de milivoltios y la eficiencia de conversión ha pasado de 10 (-5) a 10 (-3), todavía muy baja, pero una ganancia significativa.

"Aunque todavía hay margen de mejora significativa, esto pone el voltaje en el rango donde podría ver rectennas ópticas operando sensores de baja potencia, ", Dijo Cola." Hay muchos pasos de geometría de dispositivos que podría tomar para hacer algo útil con la rectenna óptica hoy en día en dispositivos impulsados ​​por voltaje que no requieren una corriente significativa ".

Cola cree que las rectennas podrían ser útiles para alimentar dispositivos de Internet de las cosas, especialmente si se pueden utilizar para producir electricidad a partir de energía térmica extraída. Para convertir calor en electricidad, el principio es el mismo que para la luz:capturar oscilaciones en un campo con la antena de nanotubos de carbono de banda ancha.

"La gente está entusiasmada con los generadores termoeléctricos, pero existen muchas limitaciones para conseguir un sistema que funcione de forma eficaz, ", dijo." Creemos que la tecnología rectenna será el mejor enfoque para cosechar calor de forma económica ".

En el trabajo futuro, el equipo de investigación espera optimizar el funcionamiento de la antena, y mejorar su comprensión teórica de cómo funciona la rectenna, permitiendo una mayor optimización. Un día, Cola espera que los dispositivos ayuden a acelerar los viajes espaciales, produciendo energía para propulsores eléctricos que impulsarán las naves espaciales.

"Nuestro juego final es ver rectennas ópticas de nanotubos de carbono trabajando en Marte y en la nave espacial que nos lleva a Marte, " él dijo.