Вокруг каждого из нас плещется невидимый океан, в котором мы находимся с самого рождения — электромагнитные излучения, которые пронизывают всё вокруг. Будучи однажды осуществлёнными (1896 г., А.С. Попов), способы радиопередачи существенно эволюционировали за 128 лет, и в настоящее время мы не можем себе представить жизнь без такого канала доставки информации.
К тому же, если раньше только ограниченный круг людей непосредственно сталкивался с радиосвязью, а другие лишь знали о том, что «она в принципе где-то есть» (слушая те же радиостанции, например), то с появлением и распространением сотовой связи и мобильного интернета очень большое количество людей стало непосредственными пользователями её. Хочется сказать: «и количество излучений вокруг нас ещё более прибавилось» :-) — это будет важно в свете того, о чём пойдёт речь далее.
Таким образом, в подавляющем большинстве применений радиосвязь используется для передачи информации — непосредственной или, например, в случае тех же радаров, отражённой от объекта.
Однако помимо информации, которую несёт радиоволна, она обладает и определённой энергией, поэтому тут существует некоторая возможность и для извлечения из радиоволн энергии!
Посмотрим, какие возможности тут есть...
Предыстория
Сама идея получения энергии от радиоволн достаточно стара, и, наверное, первую научную мысль об этом можно отнести чуть ли не к моменту открытия самой радиопередачи, так как ещё в 1888 году Герц в своих работах писал о том, что возможно «улавливать силу волн на расстоянии», однако на тот момент он не ставил перед собой идей об извлечении энергии из этого процесса — передатчиков практически не существовало, а все идеи человечества были больше сконцентрированы на передаче информации (в общем-то, довольно логичное направление мысли, учитывая слабое насыщение окружающего эфирного пространства относительно близко расположенными передатчиками с достаточной энергетикой волн).
Можно было бы подумать, а почему же он не задумался о полезном использовании космического фона радиоизлучений?
Но тут нужно понимать специфику момента: аппаратная база ещё была достаточно слабой, человечество только начинало делать первые шаги в области нового способа передачи информации, а до открытия космических радиоволн оставалось ещё более 40 лет, когда в 1932 году впервые космические радиоволны и были открыты американским инженером Карлом Янски, что стало стартом нового направления в изучении космоса — радиоастрономии.
Несколько позже, уже в 1890-х годах, Никола Тесла патентует беспроводную передачу энергии на расстояние, предполагая возможность создания системы для глобальной передачи энергии с использованием электромагнитных волн.
Дальнейшее развитие электротехники в 1904 году привело к появлению вакуумного диода, и стало возможным выпрямлять ток, извлекаемый из радиоволн с помощью антенн (разработано Джоном Амброзом Флемингом).
Примерно в те же годы, но другим учёным, Г.У.Пиккардом, было создан новый тип устройства для обнаружения радиоволн — так называемый «детектор кошачий ус», получивший такое название из-за своего внешнего вида:
Выяснилось, что подобное устройство позволяет не только обнаружить радиоволны, но и извлекать небольшое количество энергии из них, благодаря чему, если подключить к подобному детектору высокоомные наушники, то можно будет услышать, например, радиостанцию, звучащую из них, при этом без какого-либо внешнего питания!
Почему высокоомные: сигнал и так слабенький по току, а если ещё и использовать воспроизводящее устройство с малым сопротивлением, то мы просто «закоротим» его и не сможем чего-то услышать.
К слову, именно благодаря этим фактам — крайней простоте устройства и отсутствии потребности во внешнем питании — такие конструкции получили очень большое распространение в период первой мировой войны (и не только), получив название «окопное радио», а сам тип такого приёмника с тех времён был назван «детекторным приёмником».
При этом, если изначально подобные устройства изготавливали на базе кристалла галенита (сульфида свинца) и тонкой проволочки, упирающейся в кристалл, то уже со временем, благодаря опытам радиолюбителей (в основном относящимся к 1920–1940 годам), было выяснено, что подобное устройство может быть легко изготовлено даже из лезвия опасной бритвы, покрытого окислом, в который упирается карандаш!*
*И не только — внизу, в видео, показаны два варианта подобных устройств: из лезвия канцелярского ножа и (более классический вариант) на базе лезвия опасной бритвы (сначала видео, а ниже будет объяснение):
При этом классическое устройство такого приёмника представлено обычно катушкой, антенной, заземлением и детектором.
Катушка в таком приёмнике служит сразу двум целям: благодаря ей возникает резонанс и избирательность — то есть настройка на определённую волну; кроме того, сам факт наличия подобной катушки позволяет использовать более короткую антенну (для чего используются удлиняющие катушки в антеннах, я писал довольно подробно вот здесь; вкратце: позволяет «виртуально» удлинить короткую антенну, так как иначе пришлось бы использовать более длинный её вариант).
При этом, чтобы резонанс возникал на разных частотах, для каждой конкретной частоты (читай: «для приёма определённой радиостанции») необходимо мотать катушку разного количества витков. Например, для приёма диапазонов ДВ и СВ — типичных для окопного радио — требуется катушка на 50–100 витков диаметром 5–10 см, а длина антенны должна находиться в пределах 5–10 м.
Но есть и «лайфхак»: чтобы не перематывать катушку под каждую частоту, можно просто вставить внутрь неё ферритовый стержень (как показано в одном из видео выше). Вдвигание стержня внутрь катушки увеличивает индуктивность, благодаря чему частота снижается, а при обратном действии — при вынимании стержня — индуктивность падает, и частота растёт.
Также в видео выше вы видите, что используется карандаш, который служит для проведения электрического тока, однако благодаря своей мягкости он не повреждает оксидный слой на поверхности лезвия (можно водить и просто медной проволочкой, но это будет повреждать оксидный слой на поверхности лезвия).
Оксидный же слой образуется с помощью прокаливания лезвия на огне, благодаря чему образуется слой оксида на его поверхности, выступающий в роли полупроводникового перехода.
При этом, как можно видеть в видео, требуется определённая усидчивость: перемещая карандаш по поверхности лезвия, нужно найти такой участок, где разность потенциалов между оксидом и самим металлом будет максимальной, благодаря чему звучание будет наиболее громким.
Однако вернёмся к истории вопроса по извлечению энергии из радиоволн...
Дальнейшие испытания, начиная с 1940-х годов, показали принципиальную возможность извлечения энергии из радиоволн разного типа излучений, в том числе радиолокационного (СВЧ). В СССР был проведён успешный эксперимент с питанием метеозондов от радиолокатора на Земле.
Уже в 1980-е годы эти эксперименты приобрели ещё более практическую направленность: начали получать распространение RFID-метки, получающие питание от излучателя.
2000-е годы ознаменовались появлением ряда решений для области интернета вещей, позволяющих получать датчикам энергию от излучений, имеющихся в городе.
А уже начиная с 2010-х годов начали появляться и первые упоминания об использовании спин-технологий.
Я специально упомянул эти два последних пункта только вкратце, так как ниже мы о них ещё поговорим более подробно.
Варианты извлечения электроэнергии из радиоволн в настоящее время
Как выше уже и было сказано, мы, проживая в большинстве случаев в городах, окружены огромным количеством излучений: от сетей Wi-Fi и сотовых, радио и телевизионного вещания, а также иных устройств.
В общем случае мощность излучения этих сигналов весьма мала и измеряется микроваттами на квадратный сантиметр, что, с одной стороны, затрудняет их сбор, а с другой — заранее ограничивает область применения подобной собранной энергии: её будет достаточно разве что для питания маломощных датчиков сферы IoT. Тем не менее, нельзя сказать, что она бесполезна, так как проекты в этой области появляются с завидной периодичностью.
Можно сказать, что задача сбора такой энергии заключается в прохождении ряда этапов:
Необходимо уловить эту волну (постройка оптимальной антенны).
Согласовать импеданс антенны и преобразователя (иначе подавляющая часть энергии (90%) будет отражена обратно в антенну).
Выпрямить полученный ток.
Накопить заряд.
Подать заряд потребителю.
И ниже будут варианты таких конструкций.
Добыча энергии из радиоволн — приёмник на диоде Шоттки
Несмотря на относительную простоту способа с лезвием и карандашом, описанного выше, к нему в наши дни стоит отнестись, наверное, только в познавательных целях (или попробовать для развлечения). Практического смысла в этом мало — к тому же «сидеть и ловить» оптимальную точку контакта далеко не у каждого хватит терпения.
В настоящее время, если попытаться систематизировать существующие способы извлечения энергии, то одним из самых простых является выпрямитель на базе диодов Шоттки. Схема подобного устройства представлена антенной на 1/4 от длины волны при этой частоте, диодом Шоттки, конденсатором (100 пф...1 нф) и сопротивлением на 1...10 МОм.
Нечто подобное показано в видео ниже, только там используется германиевый диод. Диод Шоттки был бы лучше (из-за меньшего падения напряжения на нём), так как у системы так получается лучшая чувствительность при слабом сигнале. Переменный конденсатор используется для настройки колебательного контура на определённую частоту станции, а конденсатор, включённый параллельно высокоомным наушникам, — для фильтрования высокочастотной составляющей, чтобы в наушниках не было шипения.
Извлечение энергии из Wi-Fi
В последнее время из-за распространённости точек доступа мы всё более окружены полями Wi-Fi-излучения, поэтому было бы интересно попробовать извлечь эту энергию!
Сразу следует сказать, что извлечение энергии из-за Wi-Fi несколько более сложное, чем предыдущий способ (как минимум, из-за необходимости изготовления специальной антенны), но, тем не менее, всё реально: вот здесь вы можете найти интересный мануал по сборке подобного устройства, где в качестве антенны используется патч-антенна:
Устройство состоит из всё тех же компонентов, что и описывалось выше, в основных принципах: антенна, согласующая цепь, выпрямитель, накопитель.
Извлечение энергии из сверхслабых сигналов
В последнее время делаются интересные попытки извлечения энергии из очень слабых сигналов. Например, если рассматривать схему выше на базе диода Шоттки, чувствительность которого ограничена сигналами мощностью около 10 мкВт, новый способ позволяет извлекать энергию из сигналов мощностью менее 1 нВт!
Способ этот появился в начале 2010-х годов и представлен так называемыми «спин-выпрямителями»: с помощью магнетрона происходит напыление тонких плёнок (1...10 нм) специальных материалов, воспринимающих ток радиоволн и вызывающих изменения направления спинов электронов, что в результате эффекта Холла и приводит к возникновению постоянного электрического тока.
Уже в ближайшем будущем, в этом десятилетии, планируется внедрение таких технологий в разнообразные имплантаты, так как колебания спинов можно вызывать не только радиоволнами, но и действием тепла тела (или, даже использовать комбинированный подход — с помощью радиоволн и тепла одновременно).
*Что интересно, эта технология может быть даже опробована самостоятельно, в домашних условиях, так как многие самодельщики пробуют самостоятельно работать с вакуумным напылением — весь YouTube завален роликами, где вакуумные камеры делаются чуть ли не из стеклянных банок от маринадов из продуктового магазина.
Как делается: стеклянная подложка очищается ацетоном, после чего на неё сначала напыляется медь (слой толщиной 10 нм). Далее, не открывая камеру и без доступа воздуха, поверх меди напыляется никель (слой толщиной 15 нм). После этого, также без доступа воздуха, поверхность никеля закрывается электроизоляционным лаком (эпоксидным, полиимидным, акриловым).
Далее этот «бутерброд» вынимается из камеры, и два электрода подключаются к медному и никелевому слою — по одному на каждый соответственно. После этого выпрямитель подключается к антенне соответствующей конфигурации для нужной частоты (например, к микрополосковой антенне, как в примере выше по добыче энергии от Wi‑Fi). При этом провод никелевого слоя подключается к антенне, а медного слоя — к заземлению.
Подытоживая, можно сказать: несмотря на то, что энергии в рукотворных электромагнитных излучениях вокруг нас достаточно мало — вернее, она находится в рассеянном состоянии (собственно, не зря же они проходят по разнообразным медицинским требованиям, по крайней мере официально :-) ) — её извлечение в полезных целях видится целесообразным. В противном случае энергия будет пропадать без какого-либо применения, а могла бы приносить пользу, тем более что, судя по тому, как увеличивается количество беспроводных устройств, в будущем такая загруженность эфира сможет выдавать относительно неплохие токи.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»