Investigadors i científics de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou i de la Universitat ITMO presenten una manera d'augmentar l'eficiència de la transferència d'energia sense fils a llarga distància.
L'equip d'investigadors del MIPT i de la Universitat ITMO ho va provar amb simulació numèrica i experiments. Per aconseguir-ho, van transmetre energia entre dues antenes. Com a resultat, un d’ells es va excitar amb un senyal de propagació posterior d’amplitud i fase específiques.
"La noció d'un absorbent coherent es va introduir en un document publicat el 2010. Els autors van demostrar que la interferència d'ona es pot utilitzar per controlar l'absorció de la llum i la radiació electromagnètica en general", recorda Denis Baranov, estudiant de doctorat del MIPT.
"Vam decidir esbrinar si altres processos, com la propagació d'ones electromagnètiques, es poden controlar de la mateixa manera. Vam optar per treballar amb una antena per a la transferència de potència sense fils, perquè aquest sistema es beneficiaria enormement de la tecnologia", diu. "Bé, ens va sorprendre molt descobrir que la transferència d'energia es pot millorar realment transmetent una part de l'energia rebuda de la bateria de càrrega a l'antena receptora".
Transferència d'energia sense fils proposada originalment per Nikola Tesla al segle XIX. Va utilitzar el principi de la inducció electromagnètica, ja que sabem que la llei de Faraday diu que si es col·loca una segona bobina al camp magnètic de la primera bobina, indueix un corrent elèctric a la segona bobina, que es pot utilitzar per a les diferents aplicacions.
Figura. 1. Les línies discontínues dels camps magnètics al voltant de dues bobines d’inducció il·lustren el principi d’inducció electromagnètica
Avui en dia, si parlem de la gamma de transferència sense fils, significa exactament a la part superior del carregador. El problema és que la força del camp magnètic generat per la bobina del carregador és inversament proporcional a la distància que hi ha. Per això, la transferència sense fils només funciona a una distància inferior a 3-5 centímetres. Com a solució, augmentar la mida d’una de les bobines o del corrent que hi ha, però això significa un camp magnètic més fort que és potencialment perjudicial per als humans al voltant del dispositiu. A més, hi ha alguns països que tenen límits legals sobre la potència de radiació. Com a Rússia, la densitat de la radiació no ha de superar els 10 microwatts per centímetre quadrat al voltant de la torre cel·lular.
Transmetre la potència a través d'un mitjà aeri
La transferència de potència sense fils és possible mitjançant diversos mètodes, com ara la transferència d’energia de camp llunyà, la transmissió de potència i l’ús de dues antenes, una de les quals envia energia en forma d’ones electromagnètiques a l’altra que converteix la radiació en corrents elèctrics. L’antena transmissora no es pot millorar molt, ja que bàsicament només genera ones. L'antena receptora té moltes més zones per millorar. No absorbeix tota la radiació incident, però va irradiar-ne part. En general, la resposta de l'antena està determinada per dos paràmetres clau: el temps de desintegració τF i τw en radiació espacial lliure i en el circuit elèctric respectivament. La proporció entre aquests dos valors defineix quanta quantitat d'energia que transporta una ona incident és "extreta" per l'antena receptora.
Figura 2. Antena receptora. SF denota radiació incident, mentre que sw− és l'energia que finalment entra al circuit elèctric i sw + és el senyal auxiliar. Crèdit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
No obstant això, el receptor transmet un senyal auxiliar de tornada a l'antena i la fase i l'amplitud del senyal coincideixen amb les de l'ona incident, aquestes dues interferiran, potencialment alterant la proporció d'energia extreta. Aquesta configuració es discuteix en el document que es va informar en aquesta història, que va ser escrit per un equip d'investigadors de Denis Baranov del MIPT i dirigit per Andrea Alu.
Explotació d’interferències per amplificar ones
Abans d'implementar la configuració de transmissió d'energia proposada en un experiment, els físics van estimar teòricament quina millora podria oferir en una antena passiva normal. Va resultar que si es compleix en primer lloc la condició de coincidència conjugada, no hi haurà cap millora: l’antena està perfectament sintonitzada per començar. No obstant això, per a una antena desafinada els temps de desintegració dels quals difereixen significativament, és a dir, quan τF és diverses vegades més gran que τw o al revés, el senyal auxiliar té un efecte notable. Depenent de la seva fase i amplitud, la proporció d’energia absorbida pot ser diverses vegades superior en comparació amb la mateixa antena desafinada en el mode passiu. De fet, la quantitat d’energia absorbida pot arribar a ser tan alta com la d’una antena sintonitzada (vegeu la figura 3).
Figura 3. El gràfic de (a) mostra com la diferència entre la potència rebuda i la consumida, coneguda com a balanç d’energia Σ, depèn de la potència del senyal auxiliar d’una antena desafinada amb τw 10 vegades superior a τF. L'àrea ombrejada de color taronja cobreix l'abast dels possibles desplaçaments de fase entre l'ona incident i el senyal. La línia discontínua representa la mateixa dependència d'una antena els paràmetres τF i τw són iguals, és a dir, una antena sintonitzada. El gràfic (b) mostra el factor de millora (la relació entre el balanç màxim d’energia Σ i el balanç energètic d’una antena desafinada passiva) en funció de la relació entre els temps de desintegració de l’antena τF / τw. Crèdit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Per confirmar els seus càlculs teòrics, els investigadors van modelar numèricament una antena dipol de 5 centímetres de longitud connectada a una font d’energia i la van irradiar amb ones d’1,36 gigahertz. Per a aquesta configuració, la dependència del balanç energètic de la fase i l'amplitud del senyal (figura 4) coincidia generalment amb les prediccions teòriques. Curiosament, el balanç es va maximitzar per a un desplaçament de fase zero entre el senyal i l’ona incident. L’explicació que ofereixen els investigadors és la següent: en la presència del senyal auxiliar, es millora l’obertura efectiva de l’antena, de manera que recopila més energia de propagació al cable. Aquest augment de l’obertura és evident a partir del vector Poynting al voltant de l’antena, que indica la direcció de la transferència d’energia de la radiació electromagnètica (vegeu la figura 5).
Figura 4. Resultats de càlculs numèrics per a diversos desplaçaments de fase entre l’ona incident i el senyal (compareu la figura 3a). Crèdit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figura 5. Distribució del vector Poynting al voltant de l'antena per a un desplaçament de fase zero (esquerra) i un desplaçament de fase de 180 graus (dreta). Crèdit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
A més de simulacions numèriques, l’equip va realitzar un experiment amb dos adaptadors coaxials, que servien d’antenes de microones i es posicionaven a 10 centímetres de distància. Un dels adaptadors irradiava ones amb potències al voltant de 1 miliwatt i l'altre intentava captar-les i transmetre l'energia a un circuit a través d'un cable coaxial. Quan la freqüència es va establir a 8 gigahertz, els adaptadors funcionaven com a antenes sintonitzades, transferint energia pràcticament sense pèrdues (figura 6a). A freqüències més baixes, però, l’amplitud de la radiació reflectida va augmentar bruscament i els adaptadors funcionaven més com antenes desafinades (figura 6b). En aquest darrer cas, els investigadors van aconseguir augmentar la quantitat d'energia transmesa gairebé deu vegades amb l'ajut de senyals auxiliars.
Figura 6. Depenència del balanç energètic mesurat experimentalment en el canvi de fase i la potència del senyal d'una antena sintonitzada (a) i desafinada (b). Crèdit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Al novembre, un equip d’investigadors, inclòs Denis Baranov, va demostrar teòricament que es pot fabricar un material transparent per absorbir la majoria de la llum incident, si el pols de llum entrant té els paràmetres adequats (específicament, l’amplitud ha de créixer exponencialment). El 2016, físics del MIPT, la Universitat ITMO i la Universitat de Texas a Austin van desenvolupar nano-antenes que dispersen la llum en diferents direccions en funció de la seva intensitat. Es poden utilitzar per crear canals de transmissió i processament de dades ultra ràpids.
Font de les notícies: MIPT