Pētnieki un zinātnieki no Maskavas Fizikas un tehnoloģijas institūta un ITMO universitātes piedāvā veidu, kā palielināt bezvadu enerģijas pārraides efektivitāti lielā attālumā.
Pētnieku komanda no MIPT un ITMO universitātes to pārbaudīja ar skaitlisko simulāciju un eksperimentiem. Lai to panāktu, viņi pārraidīja enerģiju starp divām antenām. Tā rezultātā viens no viņiem bija satraukti ar aizmugurē izplatītu īpašas amplitūdas un fāzes signālu.
"Koherenta absorbētāja jēdziens tika ieviests dokumentā, kas publicēts 2010. gadā. Autori parādīja, ka viļņu traucējumus var izmantot, lai kontrolētu gaismas absorbciju un elektromagnētisko starojumu kopumā," atgādina MIPT doktorants Deniss Baranovs.
"Mēs nolēmām noskaidrot, vai citus procesus, piemēram, elektromagnētisko viļņu izplatīšanos, var kontrolēt tādā pašā veidā. Mēs izvēlējāmies strādāt ar antenu bezvadu enerģijas pārraidei, jo šī sistēma gūtu milzīgu labumu no tehnoloģijas," viņš saka. "Nu, mēs bijām diezgan pārsteigti, uzzinot, ka enerģijas pārsūtīšanu patiešām var uzlabot, pārsūtot daļu saņemtās enerģijas no uzlādes akumulatora atpakaļ uz uztverošo antenu."
Bezvadu jaudas nodošana sākotnēji ierosināja Nikola Tesla 19 th Century. Viņš izmantoja elektromagnētiskās indukcijas principu, jo mēs zinām, ka Faradeja likumā teikts, ka, ja pirmās spoles magnētiskajā laukā ievieto otru spoli, tā otrajā spolē inducē elektrisko strāvu, kuru var izmantot dažādam pielietojumam.
Attēls. 1. Pārtrauktās magnētisko lauku līnijas ap divām indukcijas spolēm ilustrē elektromagnētiskās indukcijas principu
Mūsdienās, ja mēs runājam par bezvadu pārsūtīšanas diapazonu, tas precīzi nozīmē tieši lādētāja augšpusē. Problēma ir tāda, ka magnētiskā lauka stiprums, ko spolē rada lādētājs, ir apgriezti proporcionāls attālumam no tā. Tādēļ bezvadu pārsūtīšana darbojas tikai attālumā, kas mazāks par 3-5 centimetriem. Kā risinājumu tam palielināt vienas no spolēm vai tajā esošo strāvu, bet tas nozīmē spēcīgāku magnētisko lauku, kas potenciāli var kaitēt cilvēkiem ap ierīci. Ir arī dažas valstis, kurām ir likumīgi ierobežojumi attiecībā uz radiācijas jaudu. Tāpat kā Krievijā, radiācijas blīvumam ap kameras torni nevajadzētu pārsniegt 10 mikrovatus uz kvadrātcentimetru.
Jauda tiek pārraidīta caur gaisa barotni
Bezvadu jaudas pārsūtīšana ir iespējama ar dažādām metodēm, piemēram, enerģijas pārnešanu tālu laukā, staru kūli un divu antenu izmantošanu, no kurām viena sūta enerģiju elektromagnētisko viļņu veidā uz otru, kas vēl vairāk pārveido starojumu elektriskajās strāvās. Raidošo antenu nevar ievērojami uzlabot, jo tā būtībā tikai rada viļņus. Saņemošajai antenai ir daudz vairāk uzlabojamu jomu. Tas neuztver visu notiekošo starojumu, bet izstaro daļu no tā aizmugurē. Parasti antenas reakciju nosaka divi galvenie parametri: sabrukšanas laiks τF un τw attiecīgi brīvās telpas starojumā un elektriskajā ķēdē. Attiecība starp šīm divām vērtībām nosaka to, cik lielu enerģiju pārvadā krītošais vilnis, kuru “uztver” uztverošā antena.
2. attēls. Saņemošā antena. SF apzīmē krītošo starojumu, savukārt sw – ir enerģija, kas galu galā nonāk elektriskajā ķēdē, un sw + ir papildu signāls. Kredīts: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Tomēr uztvērējs pārraida papildu signālu atpakaļ uz antenu, un signāla fāze un amplitūda sakrīt ar krītošā viļņa signālu, šie divi traucēs, potenciāli mainot iegūtās enerģijas proporciju. Šī konfigurācija ir apspriesta dokumentā, par kuru ziņots šajā stāstā, kura autore ir MIPT Denisa Baranova pētnieku komanda un kuru vada Andrea Alu.
Interferences izmantošana viļņu pastiprināšanai
Pirms eksperimentā tika ieviesta ierosinātā enerģijas pārvades konfigurācija, fiziķi teorētiski novērtēja, kādu uzlabojumu parastajā pasīvajā antenā tas varētu piedāvāt. Izrādījās, ka, ja vispirms tiek izpildīts konjugāta atbilstības nosacījums, nav nekādu uzlabojumu: Sākotnēji antena ir pilnībā noregulēta. Tomēr noregulētai antenai, kuras sabrukšanas laiki ievērojami atšķiras - tas ir, ja τF ir vairākas reizes lielāks nekā τw, vai otrādi, palīg signālam ir ievērojams efekts. Atkarībā no tā fāzes un amplitūdas absorbētās enerģijas īpatsvars var būt vairākas reizes lielāks, salīdzinot ar to pašu noregulēto antenu pasīvajā režīmā. Patiesībā absorbētās enerģijas daudzums var būt tikpat liels kā noregulētās antenas (skat. 3. attēlu).
3. attēls . (A) grafikā parādīts, kā atšķirība starp saņemto un patērēto enerģiju, kas pazīstama kā enerģijas bilance Σ, ir atkarīga no papildu signāla jaudas detonētai antenai, kuras τw 10 reizes pārsniedz τF. Oranžā krāsā nokrāsotā zona aptver iespējamo fāžu nobīdes diapazonu starp krītošo vilni un signālu. Pārtrauktā līnija apzīmē to pašu antenas atkarību, kuras τF un τw parametri ir vienādi - tas ir, noregulēta antena. Diagrammā (b) parādīts uzlabošanas koeficients - attiecība starp maksimālo enerģijas bilanci balance un pasīvās noregulētās antenas enerģijas bilanci - kā funkcija starp antenas sabrukšanas laiku τF / τw. Kredīts: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Lai apstiprinātu savus teorētiskos aprēķinus, pētnieki skaitliski modelēja 5 centimetrus garu dipola antenu, kas savienota ar strāvas avotu, un apstaroja to ar 1,36 gigahercu viļņiem. Šajā iestatījumā enerģijas līdzsvara atkarība no signāla fāzes un amplitūdas (4. attēls) parasti sakrita ar teorētiskajām prognozēm. Interesanti, ka līdzsvars tika maksimāli palielināts nulles fāzes nobīdei starp signālu un krītošo vilni. Pētnieku piedāvātais skaidrojums ir šāds: Papildu signāla klātbūtnē antenas efektīvā apertūra tiek uzlabota, tāpēc tā savāc vairāk izplatīšanās enerģijas kabelī. Šis diafragmas palielinājums ir redzams no Poynting vektora ap antenu, kas norāda elektromagnētiskā starojuma enerģijas pārneses virzienu (sk. 5. attēlu).
4. attēls . Skaitlisko aprēķinu rezultāti dažādām fāžu nobīdēm starp krītošo vilni un signālu (salīdziniet 3.a attēlu). Kredīts: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
5. attēls. Vektoru sadalījuma pointings ap antenu nulles fāzes nobīdei (pa kreisi) un fāzes nobīdei 180 grādu leņķī (pa labi). Kredīts: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Papildus skaitliskām simulācijām komanda veica eksperimentu ar diviem koaksiālajiem adapteriem, kas kalpoja kā mikroviļņu antenas un bija izvietoti 10 centimetru attālumā viens no otra. Viens no adapteriem izstaroja viļņus ar jaudu ap 1 milivatu, un otrs mēģināja tos uzņemt un caur koaksiālo kabeli pārraidīt enerģiju ķēdē. Kad frekvence tika iestatīta uz 8 gigaherciem, adapteri darbojās kā noregulētas antenas, pārnesot jaudu praktiski bez zaudējumiem (6.a attēls). Zemākās frekvencēs atstarotā starojuma amplitūda tomēr strauji pieauga, un adapteri vairāk darbojās kā noregulētas antenas (6.b attēls). Pēdējā gadījumā pētniekiem izdevās gandrīz desmit reizes palielināt pārraidītās enerģijas daudzumu ar palīgsignālu palīdzību.
6. attēls. Eksperimentāli izmērītā enerģijas bilances atkarība no fāzes nobīdes un signāla jaudas noregulētajai (a) un noregulētajai (b) antenai. Kredīts: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Novembrī pētnieku grupa, ieskaitot Denisu Baranovu, teorētiski parādīja, ka caurspīdīgu materiālu var izgatavot, lai absorbētu lielāko daļu krītošās gaismas, ja ienākošajam gaismas impulsam ir pareizi parametri (konkrēti, amplitūdai ir jāaug eksponenciāli). Vēl 2016. gadā fiziķi no MIPT, ITMO universitātes un Teksasas Universitātes Ostinā izstrādāja nanoantenas, kas izkliedē gaismu dažādos virzienos atkarībā no tā intensitātes. Tos var izmantot, lai izveidotu īpaši ātrus datu pārraides un apstrādes kanālus.
Ziņu avots: MIPT