Ερευνητές και επιστήμονες από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας και το Πανεπιστήμιο ITMO παρουσιάζουν έναν τρόπο αύξησης της αποτελεσματικότητας της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις.
Ομάδα ερευνητών από το MIPT και το ITMO University το δοκίμασαν με αριθμητική προσομοίωση και πειράματα. Για να επιτευχθεί αυτό, μετέδωσαν ισχύ μεταξύ δύο κεραιών. Ως αποτέλεσμα, ένας από αυτούς ήταν ενθουσιασμένος με ένα σήμα οπίσθιας διάδοσης συγκεκριμένου πλάτους και φάσης.
"Η έννοια ενός συνεκτικού απορροφητή παρουσιάστηκε σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε το 2010. Οι συγγραφείς έδειξαν ότι οι παρεμβολές κυμάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της απορρόφησης του φωτός και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας γενικά", θυμάται ο διδακτορικός φοιτητής του MIPT Denis Baranov.
"Αποφασίσαμε να μάθουμε εάν άλλες διαδικασίες, όπως η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, μπορούν να ελεγχθούν με τον ίδιο τρόπο. Επιλέξαμε να συνεργαστούμε με μια κεραία για ασύρματη μεταφορά ισχύος, γιατί αυτό το σύστημα θα ωφεληθεί πολύ από την τεχνολογία", λέει. «Λοιπόν, ήμασταν αρκετά έκπληκτοι που ανακαλύψαμε ότι η μεταφορά ισχύος μπορεί πράγματι να βελτιωθεί με τη μετάδοση ενός τμήματος της ληφθείσας ισχύος από την μπαταρία φόρτισης πίσω στην κεραία λήψης»
Ασύρματη μεταφορά ισχύος που προτάθηκε αρχικά από τη Nikola Tesla τον 19ο αιώνα. Χρησιμοποίησε την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, όπως γνωρίζουμε ο νόμος του Faraday λέει ότι εάν ένα δεύτερο πηνίο τοποθετηθεί στο μαγνητικό πεδίο του πρώτου πηνίου, προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα στο δεύτερο πηνίο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις διάφορες εφαρμογές.
Φιγούρα. 1. Οι διακεκομμένες γραμμές των μαγνητικών πεδίων γύρω από δύο επαγωγικά πηνία απεικονίζουν την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Σήμερα, εάν μιλάμε για το εύρος της ασύρματης μεταφοράς, αυτό σημαίνει ακριβώς στην κορυφή του φορτιστή. Το πρόβλημα είναι ότι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από το πηνίο του φορτιστή είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση από αυτό. Εξαιτίας αυτού, η ασύρματη μεταφορά λειτουργεί μόνο σε απόσταση μικρότερη από 3-5 εκατοστά. Ως λύση σε αυτό, αυξάνεται το μέγεθος ενός από τα πηνία ή το ρεύμα σε αυτό, αλλά αυτό σημαίνει ένα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο που είναι δυνητικά επιβλαβές για τους ανθρώπους γύρω από τη συσκευή. Επίσης, υπάρχουν ορισμένες χώρες που έχουν νομικά όρια στην ισχύ ακτινοβολίας. Όπως και στη Ρωσία, η πυκνότητα της ακτινοβολίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10 μικροβατ ανά τετραγωνικό εκατοστό γύρω από τον πύργο των κυττάρων.
Μετάδοση ισχύος μέσω μέσου αέρα
Η ασύρματη μεταφορά ισχύος είναι δυνατή με διάφορες μεθόδους, όπως η μεταφορά ενέργειας από απόσταση, η ακτινοβολία ισχύος και η χρήση δύο κεραιών, η μία εκ των οποίων στέλνει ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην άλλη, η οποία μετατρέπει περαιτέρω την ακτινοβολία σε ηλεκτρικά ρεύματα. Η κεραία εκπομπής δεν μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά, γιατί βασικά παράγει κύματα. Η κεραία λήψης έχει πολύ περισσότερες περιοχές για τη βελτίωση. Δεν απορροφά όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία αλλά ακτινοβολεί μέρος της. Γενικά, η απόκριση της κεραίας καθορίζεται από δύο βασικές παραμέτρους: τον χρόνο αποσύνθεσης τF και τw σε ακτινοβολία ελεύθερου χώρου και στο ηλεκτρικό κύκλωμα αντίστοιχα. Η αναλογία μεταξύ αυτών των δύο τιμών καθορίζει πόση ενέργεια μεταφέρεται από ένα περιστατικό κύμα «εξάγεται» από την κεραία λήψης.
Εικόνα 2. Κεραία λήψης. Το SF δηλώνει την προσπίπτουσα ακτινοβολία, ενώ το sw− είναι η ενέργεια που τελικά πηγαίνει στο ηλεκτρικό κύκλωμα και το sw + είναι το βοηθητικό σήμα. Πίστωση: Alex Krasnok et al. / Φυσικές επιστολές επισκόπησης
Ωστόσο, ο δέκτης μεταδίδει ένα βοηθητικό σήμα πίσω στην κεραία και η φάση και το πλάτος του σήματος ταιριάζουν με εκείνα του κύματος που προσπίπτει, αυτά τα δύο θα παρεμβαίνουν, μεταβάλλοντας δυνητικά το ποσοστό της εξαγόμενης ενέργειας. Αυτή η διαμόρφωση συζητείται στην εφημερίδα που αναφέρεται σε αυτήν την ιστορία, η οποία συντάχθηκε από μια ομάδα ερευνητών του MIPT του Denis Baranov και με επικεφαλής τον Andrea Alu.
Εκμετάλλευση παρεμβολών για ενίσχυση των κυμάτων
Πριν από την εφαρμογή της προτεινόμενης διαμόρφωσης μετάδοσης ισχύος σε ένα πείραμα, οι φυσικοί υπολόγισαν θεωρητικά ποια βελτίωση θα μπορούσε να προσφέρει σε μια κανονική παθητική κεραία. Αποδείχθηκε ότι εάν η συνάρτηση αντιστοίχισης συζυγούς πληρούται αρχικά, δεν υπάρχει καμία απολύτως βελτίωση: Η κεραία είναι απόλυτα συντονισμένη για να ξεκινήσει. Ωστόσο, για μια αποσυνδεδεμένη κεραία των οποίων οι χρόνοι αποσύνθεσης διαφέρουν σημαντικά - δηλαδή, όταν το τF είναι αρκετές φορές μεγαλύτερο από το τw, ή το αντίστροφο - το βοηθητικό σήμα έχει αξιοσημείωτο αποτέλεσμα. Ανάλογα με τη φάση και το πλάτος της, η αναλογία της απορροφούμενης ενέργειας μπορεί να είναι αρκετές φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση με την ίδια αποσυνδεδεμένη κεραία στην παθητική λειτουργία. Στην πραγματικότητα, η ποσότητα της απορροφούμενης ενέργειας μπορεί να φτάσει τόσο υψηλή όσο μια συντονισμένη κεραία (βλ. Σχήμα 3).
Σχήμα 3. Το γράφημα στο (α) δείχνει πώς η διαφορά μεταξύ της ληφθείσας και της καταναλισκόμενης ισχύος, γνωστή ως το ενεργειακό ισοζύγιο Σ εξαρτάται από τη βοηθητική ισχύ σήματος για μια αποσυνδεδεμένη κεραία με τw 10 φορές μεγαλύτερη από το τF. Η πορτοκαλί σκιασμένη περιοχή καλύπτει το εύρος των πιθανών αλλαγών φάσης μεταξύ του προσπίπτουμενου κύματος και του σήματος. Η διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την ίδια εξάρτηση για μια κεραία της οποίας οι παράμετροι τF και τw είναι ίσες - δηλαδή, μια συντονισμένη κεραία. Το γράφημα (b) δείχνει τον παράγοντα ενίσχυσης - την αναλογία μεταξύ του μέγιστου ενεργειακού ισοζυγίου Σ και του ενεργειακού ισοζυγίου μιας παθητικής αποσυνδεδεμένης κεραίας - ως συνάρτηση του λόγου μεταξύ των χρόνων αποσύνθεσης της κεραίας τF / τw. Πίστωση: Alex Krasnok et al. / Φυσικές επιστολές επισκόπησης
Για να επιβεβαιώσουν τους θεωρητικούς τους υπολογισμούς, οι ερευνητές μοντελοποίησαν αριθμητικά μια διπολική κεραία μήκους 5 εκατοστών συνδεδεμένη σε μια πηγή ισχύος και την ακτινοβόλησε με κύματα 1,36 gigahertz. Για αυτήν τη ρύθμιση, η εξάρτηση της ενεργειακής ισορροπίας από τη φάση σήματος και το πλάτος (εικόνα 4) συνέπεσε γενικά με τις θεωρητικές προβλέψεις. Είναι ενδιαφέρον ότι η ισορροπία μεγιστοποιήθηκε για μετατόπιση μηδενικής φάσης μεταξύ του σήματος και του κύματος προσβολής. Η εξήγηση που προσφέρουν οι ερευνητές είναι η εξής: Στην παρουσία του βοηθητικού σήματος, ενισχύεται το αποτελεσματικό άνοιγμα της κεραίας, οπότε συλλέγει περισσότερη ενέργεια διάδοσης στο καλώδιο. Αυτή η αύξηση του ανοίγματος είναι εμφανής από τον φορέα Poynting γύρω από την κεραία, ο οποίος δείχνει την κατεύθυνση της μεταφοράς ενέργειας με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (βλ. Σχήμα 5).
Σχήμα 4. Αποτελέσματα αριθμητικών υπολογισμών για διάφορες μετατοπίσεις φάσης μεταξύ του κύματος προσβολής και του σήματος (συγκρίνετε το σχήμα 3α). Πίστωση: Alex Krasnok et al. / Φυσικές επιστολές επισκόπησης
Σχήμα 5. Κατανομή φορέων φουσκώματος γύρω από την κεραία για μετατόπιση μηδενικής φάσης (αριστερά) και μετατόπιση φάσης 180 μοίρες (δεξιά). Πίστωση: Alex Krasnok et al. / Φυσικές επιστολές επισκόπησης
Εκτός από τις αριθμητικές προσομοιώσεις, η ομάδα πραγματοποίησε ένα πείραμα με δύο ομοαξονικούς προσαρμογείς, οι οποίοι χρησίμευαν ως κεραίες μικροκυμάτων και τοποθετήθηκαν σε απόσταση 10 εκατοστών. Ένας από τους προσαρμογείς εκπέμπει κύματα με ισχύ περίπου 1 milliwatt και ο άλλος προσπάθησε να τα πάρει και να μεταδώσει την ενέργεια σε ένα κύκλωμα μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου. Όταν η συχνότητα ορίστηκε στα 8 gigahertz, οι προσαρμογείς λειτουργούσαν ως συντονισμένες κεραίες, μεταφέροντας ισχύ χωρίς ουσιαστικά απώλειες (εικόνα 6α). Σε χαμηλότερες συχνότητες, ωστόσο, το πλάτος της ανακλώμενης ακτινοβολίας αυξήθηκε απότομα και οι προσαρμογείς λειτουργούσαν περισσότερο σαν κεραίες (εικόνα 6b). Στην τελευταία περίπτωση, οι ερευνητές κατάφεραν να αυξήσουν την ποσότητα της μεταδιδόμενης ενέργειας σχεδόν δεκαπλάσια με τη βοήθεια βοηθητικών σημάτων.
Σχήμα 6. Πειραματικά μετρημένη εξάρτηση ισορροπίας ενέργειας από μετατόπιση φάσης και ισχύ σήματος για μια συντονισμένη (α) και αποσυνδεδεμένη (β) κεραία. Πίστωση: Alex Krasnok et al. / Φυσικές επιστολές επισκόπησης
Τον Νοέμβριο, μια ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου του Denis Baranov, έδειξε θεωρητικά ότι μπορεί να κατασκευαστεί ένα διαφανές υλικό για την απορρόφηση του περισσότερου περιστατικού φωτός, εάν ο εισερχόμενος παλμός του φωτός έχει τις σωστές παραμέτρους (συγκεκριμένα, το εύρος πρέπει να αυξηθεί εκθετικά). Το 2016, οι φυσικοί από το MIPT, το ITMO University και το University of Texas στο Austin ανέπτυξαν νανο-κεραίες που διασκορπίζουν το φως σε διαφορετικές κατευθύνσεις ανάλογα με την έντασή του. Αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία εξαιρετικά γρήγορων καναλιών μετάδοσης και επεξεργασίας δεδομένων.
Πηγή ειδήσεων: MIPT