Tyrėjai ir mokslininkai iš Maskvos fizikos ir technologijos instituto ir ITMO universiteto pateikia būdą padidinti belaidžio energijos perdavimo dideliu atstumu efektyvumą.
MIPT ir ITMO universiteto tyrėjų komanda tai išbandė atlikdami skaitinius modeliavimus ir eksperimentus. Norėdami tai pasiekti, jie perdavė galią tarp dviejų antenų. Dėl to vienas iš jų buvo sužadintas atgalinio sklidimo signalu, kurio amplitudė ir fazė buvo tam tikra.
„Darniojo absorbento sąvoka buvo pristatyta dar 2010 m. Paskelbtame darbe. Autoriai parodė, kad bangų trukdžiai gali būti naudojami šviesos ir apskritai elektromagnetinės spinduliuotės absorbcijai kontroliuoti“, - prisimena MIPT doktorantas Denisas Baranovas.
"Mes nusprendėme išsiaiškinti, ar kitus procesus, pavyzdžiui, elektromagnetinių bangų sklidimą, galima valdyti tuo pačiu būdu. Mes pasirinkome dirbti su antena, kad galėtume perduoti belaidį maitinimą, nes šiai sistemai būtų labai naudinga technologija", - sako jis. "Na, mes buvome labai nustebinti sužinoję, kad energijos perdavimą tikrai galima pagerinti perduodant dalį gaunamos energijos iš įkrovimo baterijos atgal į priimančiąją anteną."
Belaidį energijos perdavimą iš pradžių pasiūlė Nikola Tesla XIX a. Jis naudojo elektromagnetinės indukcijos principą, nes žinome, kad Faradėjaus dėsnis sako, kad jei į pirmosios ritės magnetinį lauką dedama antroji ritė, tai antroje ritėje sukelia elektros srovę, kurią galima naudoti įvairiems tikslams.
Pav. 1. Magnetinių laukų, esančių aplink dvi indukcines rites, punktyrinės linijos iliustruoja elektromagnetinės indukcijos principą
Šiais laikais, jei kalbėsime apie belaidžio perdavimo diapazoną, tai tiksliai reiškia ant įkroviklio viršaus. Problema ta, kad įkroviklio ritės sukurto magnetinio lauko stiprumas yra atvirkščiai proporcingas atstumui nuo jo. Dėl to belaidis perdavimas veikia tik mažesniu nei 3–5 centimetrų atstumu. Kaip sprendimo būdą, padidinkite vienos iš ritinių dydį ar srovę, tačiau tai reiškia stipresnį magnetinį lauką, kuris gali būti kenksmingas aplink prietaisą esantiems žmonėms. Be to, yra keletas šalių, kuriose radiacijos galia yra teisiškai apribota. Kaip ir Rusijoje, radiacijos tankis aplink kameros bokštą neturėtų viršyti 10 mikrovatų kvadratiniame centimetre.
Galia perduodama per oro terpę
Belaidis energijos perdavimas yra įmanomas įvairiais metodais, pavyzdžiui, tolimojo lauko energijos perdavimu, spindulių pluoštu ir dviem antenomis, iš kurių viena siunčia energiją elektromagnetinių bangų pavidalu kitai, kuri dar labiau paverčia spinduliuotę į elektros sroves. Perduodančios antenos negalima labai patobulinti, nes ji iš esmės tik generuoja bangas. Priimanti antena turi daug daugiau tobulintinų sričių. Jis ne sugeria visą krintančią spinduliuotę, bet dalį jos skleidžia atgal. Paprastai antenos atsaką lemia du pagrindiniai parametrai: skilimo laikas τF ir τw atitinkamai į laisvosios erdvės spinduliuotę ir į elektros grandinę. Santykis tarp šių dviejų verčių apibrėžia, kiek energijos perneša krintanti banga, kurią „ištraukia“ priimančioji antena.
2 pav. Gaunanti antena. SF žymi krintančią spinduliuotę, o sw - energija, kuri galiausiai patenka į elektros grandinę, o sw + yra pagalbinis signalas. Autorius: Alexas Krasnokas ir kt. / „Physical Review Letters“
Tačiau imtuvas perduoda pagalbinį signalą atgal į anteną, o signalo fazė ir amplitudė sutampa su krintančiosios bangos signalu, šie du trukdys, galbūt pakeis išgaunamos energijos dalį. Ši konfigūracija aptariama šioje istorijoje aprašytame dokumente, kurį parašė MIPT Deniso Baranovo tyrėjų grupė, vadovaujama Andrea Alu.
Interferencijos panaudojimas bangoms sustiprinti
Prieš eksperimente įgyvendindami siūlomą galios perdavimo konfigūraciją, fizikai teoriškai įvertino, kokį įprastos pasyviosios antenos patobulinimą ji galėtų pasiūlyti. Paaiškėjo, kad jei visų pirma įvykdoma konjugato atitikimo sąlyga, jokios patobulinimo nėra: antena yra visiškai suderinta. Tačiau nustačiusi anteną, kurios skilimo laikas labai skiriasi - tai yra, kai τF yra kelis kartus didesnis nei τw, arba atvirkščiai - pagalbinis signalas turi pastebimą poveikį. Priklausomai nuo jos fazės ir amplitudės, sugertos energijos dalis gali būti kelis kartus didesnė, palyginti su ta pačia išjungta antena pasyviuoju režimu. Tiesą sakant, sugertos energijos kiekis gali būti toks pat didelis, kaip ir sureguliuotos antenos (žr. 3 pav.).
3 paveikslas . Grafike (a) pavaizduota, kaip skirtumas tarp priimtos ir suvartotos energijos, žinomos kaip energijos balansas Σ, priklauso nuo pagalbinio signalo galios detonuotai antenai, kurios τw 10 kartų didesnė už τF. Oranžinės spalvos šešėlis apima galimų fazių poslinkių tarp krintančios bangos ir signalo diapazoną. Brūkšninė linija reiškia tą pačią priklausomybę nuo antenos, kurios τF ir τw parametrai yra vienodi, ty suderinta antena. (B) grafike parodytas patobulinimo koeficientas - santykis tarp didžiausios energijos pusiausvyros Σ ir pasyvios nubrėžtos antenos energijos balanso - kaip santykio tarp antenos skilimo kartų τF / τw funkcija. Autorius: Alexas Krasnokas ir kt. / „Physical Review Letters“
Norėdami patvirtinti savo teorinius skaičiavimus, mokslininkai skaitmeniniu būdu sumodeliavo 5 cm ilgio dipolio anteną, prijungtą prie maitinimo šaltinio, ir apšvitino ją 1,36 gigaherco bangomis. Šiai sąrangai energijos balanso priklausomybė nuo signalo fazės ir amplitudės (4 pav.) Paprastai sutapo su teorinėmis prognozėmis. Įdomu tai, kad balansas buvo maksimalus nulinio fazės poslinkiui tarp signalo ir krintančios bangos. Tyrėjų pateiktas paaiškinimas yra toks: pagalbinio signalo akivaizdoje efektyvi antenos diafragma yra padidinta, todėl ji į kabelį surenka daugiau sklindančios energijos. Šis diafragmos padidėjimas akivaizdus iš Poynting vektoriaus aplink anteną, kuris rodo elektromagnetinės spinduliuotės energijos perdavimo kryptį (žr. 5 pav.).
4 pav. Įvairių fazinių poslinkių tarp krintančios bangos ir signalo skaitinių skaičiavimų rezultatai (palyginkite 3a paveikslą). Autorius: Alexas Krasnokas ir kt. / „Physical Review Letters“
5 pav. Poyntingo vektoriaus pasiskirstymas aplink anteną nulinio fazės poslinkio (kairėje) ir fazės poslinkio 180 laipsnių kampu (dešinėje). Autorius: Alexas Krasnokas ir kt. / „Physical Review Letters“
Be skaitinių modeliavimų, komanda atliko eksperimentą su dviem bendraašiais adapteriais, kurie tarnavo kaip mikrobangų antenos ir buvo išdėstyti 10 centimetrų atstumu. Vienas iš adapterių skleidė bangas, kurių galia siekė apie 1 milivatą, o kitas bandė jas paimti ir perduoti energiją į grandinę koaksialiniu kabeliu. Nustačius 8 gigahercų dažnį, adapteriai veikė kaip sureguliuotos antenos, perduodamos galią praktiškai be nuostolių (6a pav.). Žemesniais dažniais atspindėtos spinduliuotės amplitudė smarkiai padidėjo, o adapteriai veikė labiau kaip išjungtos antenos (6b pav.). Pastaruoju atveju mokslininkams pavyko perduodamos energijos kiekį beveik dešimt kartų padidinti pagalbinių signalų pagalba.
6 paveikslas. Eksperimentiškai išmatuota sureguliuotos (a) ir sureguliuotos (b) antenos energijos balanso priklausomybė nuo fazės poslinkio ir signalo galios. Autorius: Alexas Krasnokas ir kt. / „Physical Review Letters“
Lapkritį tyrėjų grupė, įskaitant Denisą Baranovą, teoriškai įrodė, kad galima pagaminti skaidrią medžiagą, sugeriančią daugumą krintančios šviesos, jei gaunamas šviesos impulsas turi reikiamus parametrus (konkrečiai, amplitudė turi augti eksponentiškai). Dar 2016 m. Fizikai iš MIPT, ITMO universiteto ir Teksaso universiteto Ostine sukūrė nanoantenas, kurios sklaido šviesą įvairiomis kryptimis, atsižvelgiant į jos intensyvumą. Jie gali būti naudojami kuriant itin greitus duomenų perdavimo ir apdorojimo kanalus.
Naujienų šaltinis: MIPT