Catturare l'energia delle reti 5G per alimentare dispositivi IoT: basta batterie

Usare le reti 5G per alimentare, senza fili e batterie, i dispositivi Internet of Things (IoT): uno studio pubblicato su Scientific Reports dai ricercatori del Georgia Institute of Technology apre la porta a questa possibilità. Gli studiosi hanno messo a punto un'innovativa antenna che consente di catturare l'energia nell'etere per alimentare dispositivi a bassa potenza.

Tecnicamente l'antenna è una "rectenna" (rectifying antenna) basata su lenti di Rotman, ed è capace di convertire in energia le onde millimetriche nella banda dei 28 GHz. Le lenti di Rotman, spiegano gli studiosi, sono fondamentali per le reti "beamforming" e sono usate nei sistemi di sorveglianza radar per "vedere in più direzioni" senza spostare fisicamente l'antenna.

Per creare la nuova soluzione, i ricercatori hanno dovuto affrontare diverse sfide. Per raccogliere energia sufficiente ad alimentare dispositivi a basso consumo su lunghe distanze sono necessarie, infatti, delle antenne con una grande apertura, ma c'è un problema: le antenne di grandi dimensioni hanno un campo visivo ristretto che impedisce loro di funzionare se sono lontane (a causa della dispersione) dalla base station 5G.

Aline Eid, ricercatrice senior del laboratorio ATHENA dell'Istituto e il collega Jimmy Hester, hanno spiegato che sono riusciti a sviluppare un'antenna con un ampio angolo di copertura che permette di "avere una grande antenna, che funziona a frequenze più alte e può ricevere energia da qualsiasi direzione. È indipendente dalla direzione, cosa che la rende molto più pratica".

La tecnologia alla base delle reti 5G è pensata per comunicazioni a bandwidth elevata, ma le alte frequenze operative richieste aprono interessanti opportunità per "raccogliere" l'energia inutilizzata che altrimenti andrebbe sprecata. Con la soluzione della Georgia Tech, tutta l'energia elettromagnetica raccolta da insiemi di antenne viene combinata e immessa in un unico raddrizzatore, che ne massimizza l'efficienza.

"Le persone hanno tentato di raccogliere energia ad alte frequenze come 24 o 35 GHz in passato", ha spiegato la Eid, "ma tali antenne funzionavano solo se erano in linea di contatto visivo con la base station 5G; finora non c'era modo di aumentare il loro angolo di copertura".

Operando in modo simile a lenti ottiche, le lenti di Rotman forniscono sei campi visivi simultaneamente. Modificando la forma delle lenti, i ricercatori sono riusciti a ottenere una soluzione che può mappare un insieme selezionato di direzioni di radiazione verso un insieme associato di porte. Le lenti vengono quindi usate come componente intermedio tra le antenne riceventi e i raddrizzatori per la raccolta di energia 5G.

Questo nuovo approccio affronta il compromesso tra la copertura angolare delle rectenne e sensibilità di attivazione con una struttura che unisce radiofrequenze specifiche e corrente continua, consentendo così di ottenere un sistema con alto guadagno e un'ampia apertura del fascio. Nelle dimostrazioni, la soluzione della Georgia Tech ha dimostrato un aumento di 21 volte della potenza raccolta rispetto a una controparte di riferimento, pur mantenendo una copertura angolare identica. Certo, non si tratta di un'enorme quantità di potenza: il segnale mmWave ad alta frequenza genera circa 6 microwatt di potenza a 180 metri da un trasmettitore 5G. E questo con una visuale libera, senza ostacoli.

La tecnologia, tuttavia, può aprire la porta all'implementazione di RFID passivi, a lungo raggio, alimentati da onde 5G millimetriche per applicazioni IoT indossabili o situate in qualsiasi luogo. I ricercatori hanno stampato delle soluzioni grandi quanto il palmo di una mano in grado di raccogliere le onde millimetriche, e inseribili su substrati flessibili e rigidi d'uso quotidiano.

"Il 5G sarà ovunque, specialmente nelle aree urbane. È possibile sostituire milioni, o decine di milioni, di sensori wireless a batteria, in particolare all'interno di smart city e nel settore agricolo", ha affermato il professor Emmanouil (Manos) Tentzeris. Tentzeris ritiene che il "power as a service" diventerà la prossima grande applicazione dell'industria delle telecomunicazioni, proprio come i dati hanno superato la voce come principale fonte di entrate. Per diversi usi e impieghi, in particolare quello dei sensori, sarà quindi possibile sbarazzarsi delle batterie.