Cuộc cách mạng của IoT trong vấn đề năng lượng

Ngày nay, IoT hay Internet vạn vật đang ngày càng phát triển và thâm nhập sâu vào mọi ngóc ngách của đời sống hiện đại. Vì vậy, thế giới của chúng ta đang dần chuyển mình thành một mạng lưới thông minh và không ngừng trao đổi dữ liệu nhờ IoT thông qua các thiết bị như đồng hồ thông minh, cảm biến môi trường, công tơ điện tử. Tuy nhiên, để hiện thực hóa viễn cảnh đó thì một vấn đề cốt lõi cần được giải quyết triệt để chính là nguồn cung cấp năng lượng cho hàng tỷ thiết bị siêu nhỏ, phân tán, không thể gắn dây hoặc thay pin định kỳ.

Theo phương pháp truyền thống, các thiết bị IoT sẽ lấy năng lượng từ pin lithium hoặc nguồn điện có dây. Tuy nhiên, điều này không bền vững do việc sử dụng nguồn điện sẽ làm tăng chi phí bảo trì và dùng pin sẽ ảnh hưởng đến môi trường do rác thải. Chính vì vậy, các kỹ sư hiện nay đã đặt ra mục tiêu là phải tìm ra giải pháp cung cấp năng lượng không dây, bền vững và có chi phí thấp dành cho IoT. Và đây chính là lý do mà rectenna ra đời, mang đến một bước đột phá về công nghệ mà tưởng chừng chỉ có trong phòng thí nghiệm. 

Định nghĩa về Rectenna và sự kết hợp giữa anten và mạch chỉnh lưu

Tên gọi “rectenna” là sự kết hợp giữa hai từ tiếng Anh: “rectifier”  (chỉnh lưu) và “antenna” (ăng-ten). Về cơ bản, rectenna là một hệ thống bao gồm hai phần: đầu tiên là anten, dùng để thu sóng điện từ (ví dụ như từ sóng Wi-Fi, tín hiệu radio, 5G hoặc bức xạ từ các thiết bị xung quanh); và phần thứ hai là mạch chỉnh lưu, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng sóng điện từ thu được thành dòng điện một chiều (DC) có thể sử dụng. 

Điều nổi bật ở rectenna là nó không cần nguồn điện ngoài để hoạt động, bởi nó tự khai thác năng lượng từ môi trường (energy harvesting). Nhờ đó, rectenna  mở ra khả năng cho phép các cảm biến IoT hoạt động hoàn toàn độc lập, không cần pin, không cần dây dẫn và thậm chí có thể hoạt động ở những vị trí rất khó tiếp cận.

Nguyên lý hoạt động của rectenna

Rectenna hoạt động theo nguyên tắc khi một sóng điện từ như sóng Wi-Fi ở tần số 2.4 GHz đi qua không gian và đến anten của rectenna thì anten này sẽ cảm nhận được dao động điện từ này và tạo ra một dòng điện xoay chiều rất nhỏ. Tiếp đó, dòng điện này sẽ được đưa vào mạch chỉnh lưu có sử dụng các diode Schottky siêu nhạy để biến đổi thành điện áp một chiều. Nguồn điện một chiều thu được có thể có cường độ rất thấp (chỉ vài microwat) nhưng có thể đáp ứng đủ để vận hành các cảm biến năng lượng thấp, các mạch đo đạc hoặc thậm chí là bộ phát tín hiệu đơn giản. Vì vậy, khi tích hợp với tụ điện hoặc siêu tụ vào rectenna, thiết bị có thể tích trữ năng lượng dần dần và xả điện khi đạt đén mức  điện áp  cần thiết, Đây được xem là một cơ chế rất phù hợp với các thiết bị IoT truyền dữ liệu theo chu kỳ.

Xu hướng và tiềm năng phát triển của rectenna

Trong một thời gian dài, rectenna thường ít được sử dụng do hiệu suất thấp và kích thước lớn. Nhưng trong vài năm trở lại đây, các nhà khoa học đã đạt được những đột phá lớn về vật liệu, cấu trúc nano và thiết kế mạch RF, khiến các rectenna thế hệ mới có thể được in trực tiếp lên bề mặt nhựa, giấy, vải hoặc tích hợp vào vi mạch CMOS.

Về khía cạnh ứng dụng, rectenna có thể ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực IoT nhờ đặc tính không cần dây và không cần pin của nó như:

• Cảm biến môi trường: rectenna thường được đặt ở rừng, sông ngòi, đường phố để giám sát chất lượng không khí, nước, nhiệt độ mà gần như không cần bảo trì.
• Thiết bị y tế đeo người: bao gồm một số thiết bị như cảm biến nhịp tim, nhiệt độ, huyết áp được sạc liên tục từ sóng Wi-Fi trong nhà hoặc từ nhiệt cơ thể.
• Nhà thông minh: bao gồm cảm biến mở cửa, phát hiện chuyển động, camera an ninh hoạt động mà không cần dây điện.
• Công nghiệp 4.0: bao gồm các cảm biến không dây trong dây chuyền sản xuất, theo dõi độ rung, nhiệt độ máy móc mà không cần lắp dây rườm rà.

Thách thức và giới hạn của công nghệ của rectenna

Dù mang nhiều tiềm năng phát triển nhưng rectenna vẫn đang đối mặt với một số thách thức kỹ thuật. Đầu tiên phải nhắc đến vấn đề hiệu suất, hiện nay hiệu suất của rectenna chuyển đổi năng lượng còn thấp đặc biệt khi sóng thu được yếu hoặc tần số cao. Vì vậy, trong môi trường nhiều nhiễu thì rectenna có thể không thu đủ điện để duy trì hoạt động liên tục. 

Thứ hai, việc điều hướng năng lượng đến đúng thiết bị vẫn là một vấn đề lớn do các kỹ sư không thể dùng rectenna để cấp nguồn cho thiết bị tiêu thụ nhiều điện như điện thoại hay laptop. Ngoài ra, quá trình tích hợp rectenna vào vi mạch thương mại vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Cuối cùng, ngoài các vấn đề nêu trên, hiện nay có mối lo ngại rằng việc tăng cường phát sóng RF để nuôi các thiết bị có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếu không được kiểm soát đúng mức.

Tương lai và xu hướng phát triển của rectenna

Các chuyên gia nhận định rằng trong thập kỷ tới rectenna sẽ là một phần không thể thiếu trong cấu trúc năng lượng của hệ sinh thái IoT. Một số hãng lớn như Samsung, Intel, và cả Apple đang đầu tư vào lĩnh vực này thông qua nghiên cứu về năng lượng không dây và vật liệu nano. Bên cạnh đó, với sự phát triển của mạng 6G dự kiến sẽ sử dụng các tần số THz thì rectenna sẽ càng trở nên quan trọng khi được tối ưu để tận dụng năng lượng từ sóng viễn thông xung quanh. Cùng với đó, khi rectenna tích hợp với AI và cảm biến thông minh thì một thế giới IoT không pin, không dây sẽ được phát triển là điều hoàn toàn khả thi.

Kết luận

Hiện nay, rectenna không chỉ còn là công nghệ viễn tưởng trong phòng thí nghiệm mà nó đang dần trở thành hiện thực và mở ra một kỷ nguyên mới cho năng lượng phân tán, không dây và thân thiện với môi trường. Trong một thế giới mà mọi vật đều được kết nối như ngày nay thì việc đảm bảo năng lượng ổn định, lâu dài mà không phụ thuộc vào pin là điều vô cùng cấp thiết. Còn đối với rectenna thì chúng ta có thể hình dung tới một tương lai nơi mọi thiết bị IoT đều có thể tự hoạt động tới hàng thập kỷ chỉ bằng cách tận dụng năng lượng từ không khí. Đây không chỉ là một đột phá kỹ thuật mà còn là nền tảng cho một tương lai bền vững, thông minh và không bị ràng buộc bởi dây dẫn hay pin.