Ăng ten “giấy” thu năng lượng xung quanh

Các nhà khoa học tại Trường Công nghệ Georgia, Mỹ, vừa chế tạo một loại ăng ten đặc biệt có thể in trực tiếp trên giấy hoặc nhựa, mở ra hướng mới cho thiết bị điện tử nhỏ gọn. Khác với ăng ten truyền thống thường cần vật liệu cứng, kích thước riêng biệt cùng quy trình chế tạo phức tạp, thiết bị mới tận dụng những bề mặt mỏng, nhẹ và dễ sản xuất. Mục tiêu của công trình là khai thác nguồn năng lượng điện từ đang hiện diện khắp nơi nhưng lâu nay chưa được sử dụng hiệu quả cho các ứng dụng công suất thấp. Trong môi trường hằng ngày, sóng điện từ liên tục phát ra từ nhiều nguồn khác nhau, gồm đài phát thanh, đài vô tuyến, hệ thống ra đa cùng những thiết bị truyền thông. Phần lớn năng lượng ấy lan truyền trong không khí mà không được thu hồi, dù một lượng nhỏ vẫn có thể hỗ trợ các cảm biến hoặc bộ xử lý tiết kiệm điện. Để biến ý tưởng thành sản phẩm, nhóm nghiên cứu sử dụng máy in phun, thay cho những phương pháp chế tạo mạch điện truyền thống vốn thường đòi hỏi nhiều công đoạn hơn. Loại mực đặc biệt dùng trong máy in chứa nhũ tương với các hạt nano bạc, giúp tạo ra những đường dẫn điện mỏng trên bề mặt giấy hoặc nhựa. Sau khi được in, các đường dẫn này hình thành cảm biến cùng mạch tần số vô tuyến, biến tấm vật liệu thông thường thành một ăng ten có băng thông siêu rộng. Băng thông siêu rộng cho phép ăng ten tiếp nhận nhiều vùng tần số khác nhau, thay vì chỉ hoạt động hiệu quả quanh một tần số được thiết kế cố định. Theo thông tin từ nhóm nghiên cứu, thiết bị có thể lọc và thu tín hiệu điện từ trong khoảng tần số từ 100 MHz đến 15 GHz, thậm chí cao hơn. Khoảng hoạt động rộng này giúp ăng ten tiếp cận nhiều nguồn sóng trong môi trường xung quanh, từ tín hiệu phát thanh đến các hệ thống vô tuyến và ra đa. Nhờ khả năng thu nhận đa dạng ấy, những bộ cảm biến không dây có thể kết nối với các dòng điện từ đang tồn tại trong không khí mà không cần nguồn cấp riêng biệt. Ăng ten không trực tiếp tạo ra năng lượng mới, mà tiếp nhận một phần năng lượng điện từ sẵn có rồi chuyển đổi thành dạng điện năng phù hợp cho thiết bị. Dòng năng lượng thu được có thể biến đổi thành dòng điện trực tiếp, sau đó cung cấp ngay cho mạch điện hoặc được tích trữ để sử dụng vào thời điểm cần thiết. Trong những thiết kế khác, điện năng cũng có thể lưu giữ trong các tụ điện hoặc pin, giúp thiết bị duy trì hoạt động ngay cả khi nguồn sóng bên ngoài thay đổi. Cách tiếp cận này đặc biệt phù hợp với những hệ thống cảm biến không dây, vốn thường cần rất ít điện nhưng lại phải hoạt động lâu dài tại nhiều vị trí. Khi dòng điện tạo ra đạt mức cao nhất khoảng 50 milliwatt, ăng ten giấy có thể cung cấp đủ năng lượng cho một số cảm biến cùng bộ vi xử lý nhỏ. Mức công suất này không hướng tới việc thay thế các bộ sạc hoặc nguồn điện thông thường, nhưng đủ hữu ích cho những thiết bị điện tử siêu nhỏ và tiết kiệm năng lượng. Việc in ăng ten trên giấy hoặc nhựa còn đem lại lợi thế về trọng lượng, độ linh hoạt, chi phí sản xuất cùng khả năng tích hợp vào nhiều sản phẩm. Các bề mặt in có thể trở thành một phần của thiết bị, thay vì phải lắp thêm linh kiện ăng ten cồng kềnh, từ đó hỗ trợ những thiết kế mỏng và gọn hơn. Công nghệ này cũng gợi mở khả năng tạo ra các mạng cảm biến phân tán, trong đó nhiều thiết bị nhỏ thu năng lượng môi trường để theo dõi những điều kiện khác nhau. Trong tương lai, những cảm biến như vậy có thể hoạt động ở nơi khó thay pin thường xuyên, miễn là mức tiêu thụ điện phù hợp với lượng năng lượng thu được. Dù còn phụ thuộc vào cường độ sóng xung quanh cùng yêu cầu của từng ứng dụng, ăng ten in bằng mực nano bạc vẫn cho thấy tiềm năng đáng chú ý. Công trình của Trường Công nghệ Georgia vì thế đặt nền móng cho hướng phát triển thiết bị điện tử tự cấp năng lượng, nhẹ hơn, linh hoạt hơn và tận dụng tốt hơn nguồn điện từ quanh chúng ta.