A moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet és az ITMO Egyetem kutatói és tudósai bemutatják a vezeték nélküli áramátadás hatékonyságának növelését nagy távolságokon keresztül.
A MIPT és az ITMO Egyetem kutatócsoportja numerikus szimulációval és kísérletekkel tesztelte. Ennek elérése érdekében két antenna között áramot továbbítottak. Ennek eredményeként egyiküket egy speciális amplitúdójú és fázisú, hátul terjedő jel váltotta ki.
"A koherens abszorber fogalmát egy 2010-ben megjelent cikkben vezették be. A szerzők kimutatták, hogy a hulláminterferencia felhasználható a fény és általában az elektromágneses sugárzás abszorpciójának szabályozására" - emlékeztet Denis Baranov, a MIPT doktoranduszára.
"Úgy döntöttünk, hogy megtudjuk, hogy más folyamatok, mint például az elektromágneses hullám terjedése, ugyanúgy vezérelhetők-e. Úgy döntöttünk, hogy antennával dolgozunk a vezeték nélküli energiaátvitel érdekében, mert ennek a rendszernek óriási haszna lesz a technológiából" - mondja. "Nos, meglepetéssel tapasztaltuk, hogy az áramátvitel valóban javítható azáltal, hogy a fogadott energia egy részét a töltőakkumulátorból visszavezetjük a vevőantennának."
Vezeték nélküli erőátvitelt által eredetileg javasolt Nikola Tesla 19 th Century. Az elektromágneses indukció elvét alkalmazta, mivel tudjuk, hogy Faraday törvénye szerint ha egy második tekercset helyeznek az első tekercs mágneses mezőjébe, az elektromos áramot indukál a második tekercsben, amely felhasználható a különféle alkalmazásokhoz.
Ábra. 1. Két indukciós tekercs körül a mágneses mezők szaggatott vonalai szemléltetik az elektromágneses indukció elvét
Manapság, ha a vezeték nélküli átvitel tartományáról beszélünk, ez pontosan azt jelenti, hogy a töltő tetején van. A probléma a töltőben lévő tekercs által létrehozott mágneses tér erősségével fordítottan arányos a tőle való távolsággal. Emiatt a vezeték nélküli átvitel csak 3-5 centiméternél kisebb távolságban működik. Megoldásként az egyik tekercs méretének vagy áramának növelése, de ez egy erősebb mágneses mezőt jelent, amely potenciálisan káros az emberre a készülék körül. Vannak olyan országok is, amelyek a sugárzási teljesítményre vonatkozóan jogi korlátokat szabnak. Oroszországhoz hasonlóan a sugárzási sűrűség sem haladhatja meg a 10 mikrowatt / négyzetcentimétert a cellatorony körül.
Erőátvitel légközegen keresztül
A vezeték nélküli áramátvitel különféle módszerekkel lehetséges, például távoli energiátadás, fénysugárzás, és két antennát használ, amelyek közül az egyik elektromágneses hullámok formájában küldi az energiát a másiknak, amely tovább alakítja a sugárzást elektromos áramokká. Az adóantenna nem javítható nagyban, mert alapvetően csak hullámokat generál. A vevőantennának sokkal több területe van a fejlesztésre. Nem szívja el az összes beeső sugárzást, de egy részét hátul sugározza. Általában az antenna válaszát két kulcsparaméter határozza meg: a τF és τw bomlási idő szabad térsugárzásba, illetve elektromos áramkörbe. E két érték aránya határozza meg, hogy egy beeső hullám mennyi energiát hordozzon a vevőantenna.
2. ábra: Vevőantenna. Az SF beeső sugárzást jelöl, míg az sw - az az energia, amely végül az elektromos áramkörbe kerül, és az sw + a kiegészítő jel. Hitel: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
A vevő azonban továbbít egy kiegészítő jelet az antennához, és a jel fázisa és amplitúdója megegyezik a beeső hulláméval, ez a kettő meg fog zavarni, potenciálisan megváltoztatva a kivont energia arányát. Ezt a konfigurációt tárgyalja a jelen cikkben közölt cikk, amelyet a MIPT Denis Baranov kutatócsoportja írt és Andrea Alu vezetett.
Az interferencia kihasználása a hullámok felerősítésére
Mielőtt a kísérletben végrehajtanák a javasolt erőátviteli konfigurációt, a fizikusok elméletileg megbecsülték, hogy milyen javulást tudna nyújtani egy szabályos passzív antenna. Kiderült, hogy ha a konjugátumillesztési feltétel teljesül, akkor nincs semmiféle javulás: Az antenna eleve tökéletesen hangolt. Azonban egy olyan hangolt antenna esetében, amelynek bomlási ideje jelentősen különbözik egymástól - vagyis amikor τF többszörösen nagyobb, mint τw, vagy fordítva - a segédjelnek észrevehető hatása van. Fázisától és amplitúdójától függően az elnyelt energia aránya többszöröse lehet a passzív üzemmódban lévő azonos antennához képest. Valójában az elnyelt energia mennyisége olyan magas lehet, mint egy hangolt antennaé (lásd a 3. ábrát).
3. ábra: Az (a) ábrán látható grafikon azt mutatja be, hogy a fogadott és az elfogyasztott energia különbsége, az úgynevezett energiaegyensúly Σ hogyan függ a kiegészítő jel teljesítményétől egy olyan hangolt antennánál, amelynek τw értéke 10-szer nagyobb, mint τF. A narancssárga árnyékolt terület lefedi a beeső hullám és a jel közötti lehetséges fáziseltolódások tartományát. A szaggatott vonal ugyanazt a függőséget képviseli egy olyan antennánál, amelynek τF és τw paraméterei megegyeznek - vagyis egy hangolt antennával. A (b) grafikon mutatja a fokozási tényezőt - a maximális energiamérleg Σ és a passzív hangolású antenna energiamérlege közötti arányt az τF / τw antennabomlási idők közötti arány függvényében. Hitel: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Elméleti számításaik megerősítése érdekében a kutatók számszerűen modelleztek egy áramforráshoz kapcsolt 5 centiméter hosszú dipólantennát, és 1,36 gigahertzes hullámokkal besugározták. Ennél a beállításnál az energiaegyensúly jelfázistól és amplitúdótól való függése (4. ábra) általában egybeesik az elméleti jóslatokkal. Érdekes módon az egyensúlyt maximalizálták a jel és a beeső hullám közötti nulla fáziseltoláshoz. A kutatók magyarázata a következő: A segédjel jelenlétében az antenna hatékony nyílása megnő, így több terjedő energiát gyűjt a kábelbe. Ez a nyílásnövekedés nyilvánvaló az antenna körüli Poynting vektorból, amely jelzi az elektromágneses sugárzás energiaátadásának irányát (lásd az 5. ábrát).
4. ábra A beeső hullám és a jel közötti különféle fáziseltolódások numerikus számításainak eredményei (vö. 3a ábra). Hitel: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
5. ábra Poynting vektoreloszlás az antenna körül nulla fáziseltolódáshoz (balra) és fáziseltolódáshoz 180 fokban (jobbra). Hitel: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
A numerikus szimulációk mellett a csapat két koaxiális adapterrel végzett kísérletet, amelyek mikrohullámú antennaként szolgáltak és egymástól 10 centiméterre helyezkedtek el. Az egyik adapter 1 milliwatt körüli teljesítményű hullámokat sugárzott, a másik pedig megkísérelte azokat felvenni, és koaxiális kábelen keresztül továbbítani az energiát egy áramkörbe. Amikor a frekvenciát 8 gigahertzre állították, az adapterek hangolt antennaként működtek, gyakorlatilag veszteség nélkül adták át az energiát (6a. Ábra). Alacsonyabb frekvenciákon azonban a visszavert sugárzás amplitúdója meredeken megnőtt, és az adapterek jobban működtek, mint a hangolt antennák (6b. Ábra). Ez utóbbi esetben a kutatóknak a segédjelek segítségével csaknem tízszeresére sikerült növelniük az átadott energia mennyiségét.
6. ábra : Egy hangolt (a) és hangolt (b) antenna kísérletileg mért energiamérleg-függése a fázistolódástól és a jel teljesítményétől. Hitel: Alex Krasnok et al. / Physical Review Letters
Novemberben egy kutatócsoport, köztük Denisz Baranov, elméletileg bebizonyította, hogy átlátszó anyag készíthető a legtöbb beeső fény elnyelésére, ha a bejövő fényimpulzus megfelelő paraméterekkel rendelkezik (konkrétan az amplitúdónak exponenciálisan kell növekednie). Még 2016-ban a MIPT, az ITMO Egyetem és az Austini Texas Egyetem fizikusai olyan nanoantennákat fejlesztettek ki, amelyek intenzitásától függően különböző irányba szórják a fényt. Ezeket felhasználhatjuk ultragyors adatátviteli és feldolgozási csatornák létrehozására.
Hírforrás: MIPT