Sistema di trasmissione di potenza wireless a lunga distanza ad alta efficienza basato su mmWave usando metaconducente Cu/Co

Energia attraverso l’aria

Immagina di caricare il tuo telefono, un drone o persino un satellite senza mai collegarlo a una presa. Il trasferimento di potenza wireless promette esattamente questo, inviando energia attraverso l’aria invece che lungo cavi di rame. Ma i collegamenti wireless a lunga distanza attuali sono ingombranti e disperdono la maggior parte dell’energia durante il tragitto. Questo articolo esplora un nuovo tipo di conduttore metallico ultrapiatto che rende il trasferimento di potenza in campo lontano molto più efficiente, potenzialmente riducendo l’hardware per il power‑beaming destinato a dispositivi portatili e sistemi spaziali.

Perché il trasferimento di potenza a lunga distanza è difficile

La maggior parte dei caricabatterie wireless commerciali oggi si basa sull’accoppiamento magnetico a corto raggio: due bobine devono trovarsi quasi sovrapposte. A distanze maggiori, gli ingegneri utilizzano invece antenne che irradiano energia sotto forma di onde radio e la ritrasmettono con un’antenna ricevente e un raddrizzatore che riconverte le onde in corrente continua. Questo approccio “in campo lontano” può coprire metri o addirittura chilometri, ma i sistemi attuali trasformano in elettricità utilizzabile solo una piccola percentuale della potenza trasmessa. Un problema è che, alle relativamente basse frequenze radio spesso impiegate, le antenne diventano fisicamente grandi. Un altro problema, più sottile, emerge a frequenze molto più alte, le cosiddette onde millimetriche, dove sono possibili fasci piccoli e fortemente focalizzati: qui l’energia si perde all’interno delle linee di alimentazione e delle strutture delle antenne stesse.

Un nuovo tipo di metallo per la potenza ad alta frequenza

Quelle perdite interne derivano dall’“effetto pelle”: alle alte frequenze la corrente elettrica si concentra in uno strato molto sottile sulla superficie di un conduttore ordinario come il rame, aumentando drasticamente la sua resistenza. Per affrontare questo problema, gli autori si basano sull’idea del “metaconducente”, un’impalcatura ingegnerizzata composta da una pila di strati metallici magnetici e non magnetici ultrafini. Nel loro progetto, molteplici strati ripetuti di rame e cobalto—ciascuno spesso solo poche decine o centinaia di nanometri—sono depositati su un substrato in vetro a basse perdite. Il comportamento magnetico del cobalto e lo strato non magnetico di rame sono sintonizzati in modo che le correnti parassite (eddy) si annullino a vicenda. In pratica, la corrente può fluire attraverso l’intero spessore della pila invece di essere compressa nella pelle esterna, riducendo la resistenza alle frequenze millimetriche.

Costruire un collegamento completo per la potenza wireless

I ricercatori hanno messo alla prova questo concetto in un sistema completo di trasferimento di potenza wireless che opera a 28 gigahertz, una banda di frequenza simile a quella esplorata per le reti 5G. Hanno progettato antenne a patch compatte a matrice 4×4 sia per il trasmettitore sia per il ricevitore, insieme alle reti di alimentazione metalliche che distribuiscono la potenza a ogni patch. Un circuito raddrizzatore basato su un veloce diodo Schottky converte il segnale radio catturato in potenza DC. Fondamentale è che tutti questi percorsi chiave—l’antenna trasmittente, l’antenna ricevente e i collegamenti del raddrizzatore—sono stati realizzati usando il metaconducente rame–cobalto. Per confronto, hanno anche costruito un sistema gemello in cui tutte le parti metalliche erano di rame massiccio ordinario con lo stesso spessore totale.

Misurare il guadagno nelle prestazioni reali

Nei test di laboratorio, il team ha misurato quanto efficacemente l’energia viaggiava dall’antenna trasmittente a quella ricevente e quanto bene il raddrizzatore convertiva quel segnale in potenza DC. Su distanze da 10 a 30 centimetri, la versione con metaconducente ha fornito costantemente segnali ricevuti più forti rispetto alla versione in rame. A 20 centimetri, l’efficienza complessiva “end‑to‑end”—a partire dalla potenza DC, irradiando attraverso l’aria e ritornando come DC—è passata da circa 0,42 percento con rame massiccio a 7,5 percento con la pila rame–cobalto, un miglioramento di circa 17,85 volte. Anche il solo raddrizzatore ha beneficiato, con l’efficienza RF‑to‑DC che è salita da circa il 64 al 71 percento al livello di potenza progettuale. Poiché il cablaggio metaconducente disperde meno potenza, le antenne possono essere realizzate più piccole mantenendo un guadagno elevato, riducendo l’area e il peso di circa l’81 percento rispetto a un progetto in rame con prestazioni simili.

Cosa potrebbe significare per i dispositivi futuri

Per i non addetti ai lavori, la conclusione è semplice: riprogettando il metallo stesso su scala nanometrica, gli autori hanno trovato un modo per far fluire le correnti elettriche ad alta frequenza in modo più uniforme, sprecando meno energia sotto forma di calore. Quando questo cablaggio migliorato è integrato in un sistema completo di potenza wireless, molta più energia trasmessa raggiunge il destinatario, anche su decine di centimetri, e l’hardware può essere molto più leggero e compatto. Pur essendo ancora un prototipo di laboratorio, i metaconduttori rame–cobalto indicano la strada verso collegamenti di potenza wireless a lunga distanza pratici, che un giorno potrebbero ricaricare elettronica portatile, reti di sensori o persino componenti spaziali senza cavi pesanti o antenne sovradimensionate.

Citazione: Lee, W., Jang, H. & Yoon, YK. High efficiency far-field mmWave-based wireless power transfer system using Cu/Co metaconductor. Sci Rep 16, 12340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42136-4

Parole chiave: trasferimento di potenza wireless, onde millimetriche, metaconducente, multistrato rame cobalto, rectenna