Tutkijat ja tutkijat Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutista ja ITMO-yliopistosta esittävät tavan lisätä langattoman virransiirron tehokkuutta pitkällä etäisyydellä.
MIPT: n ja ITMO-yliopiston tutkijaryhmä testasi sitä numeerisella simulaatiolla ja kokeilla. Tämän saavuttamiseksi he lähettivät tehoa kahden antennin välillä. Tämän seurauksena yksi heistä oli innoissaan taaksepäin etenevällä signaalilla, jolla oli tietty amplitudi ja vaihe.
"Koherentin absorboijan käsite otettiin käyttöön vuonna 2010 julkaistussa asiakirjassa. Kirjoittajat osoittivat, että aaltohäiriöitä voidaan käyttää valon ja sähkömagneettisen säteilyn absorboinnin hallintaan yleensä", muistelee MIPT: n tohtorikoulutettava Denis Baranov.
"Päätimme selvittää, voidaanko muita prosesseja, kuten sähkömagneettisten aaltojen etenemistä, hallita samalla tavalla. Päätimme työskennellä antennin kanssa langatonta virransiirtoa varten, koska tämä järjestelmä hyötyisi valtavasti tekniikasta", hän sanoo. "No, olimme melko yllättyneitä saadessamme selville, että virransiirtoa voidaan todellakin tehostaa lähettämällä osa vastaanotetusta tehosta latausakusta takaisin vastaanottoantenniin."
Langaton virransiirto, jonka Nikola Tesla alun perin ehdotti 1900- luvulla. Hän käytti sähkömagneettisen induktion periaatetta, koska tiedämme Faradayn lain mukaan, että jos toinen kela sijoitetaan ensimmäisen kelan magneettikenttään, se indusoi sähkövirran toiseen kelaan, jota voidaan käyttää erilaisiin sovelluksiin.
Kuva. 1. Magneettikenttien katkoviivat kahden induktiokelan ympärillä kuvaavat sähkömagneettisen induktion periaatetta
Nykyään, jos puhumme langattoman tiedonsiirron alueesta, se tarkoittaa tarkalleen laturin päällä. Ongelma on siinä, että laturin kelan tuottama magneettikenttä on kääntäen verrannollinen etäisyyteen siitä. Tämän vuoksi langaton siirto toimii vain alle 3-5 senttimetrin etäisyydellä. Ratkaisuna sille voidaan lisätä yhden käämin tai sen virran kokoa, mutta tämä tarkoittaa vahvempaa magneettikenttää, joka on mahdollisesti haitallista ihmiselle laitteen ympärillä. Lisäksi joissakin maissa on lailliset rajoitukset säteilyteholle. Kuten Venäjällä, säteilytiheyden ei tulisi ylittää 10 mikrowattia neliösenttimetriä kohti solutornin ympärillä.
Voimansiirto ilmavälineen kautta
Langaton virransiirto on mahdollista erilaisilla menetelmillä, kuten kaukokentän energiansiirto, valonsäde ja kaksi antennia, joista toinen lähettää energiaa sähkömagneettisten aaltojen muodossa toiselle, joka muuntaa säteilyn edelleen sähkövirroiksi. Lähetysantennia ei voida parantaa merkittävästi, koska se tuottaa vain aaltoja. Vastaanottavassa antennissa on paljon enemmän parannettavaa. Se ei absorboi kaikkea tulevaa säteilyä, mutta säteilee osan siitä takaisin. Yleensä antennin vaste määritetään kahdella avainparametrilla: hajoamisaika τF ja τw vapaan avaruuden säteilyksi ja vastaavasti sähköpiiriksi. Näiden kahden arvon suhde määrittää, kuinka paljon energiaa kulkeutuva aalto kuljettaa vastaanottavan antennin.
Kuva 2. Vastaanottava antenni. SF tarkoittaa tulevaa säteilyä, kun taas sw - on energia, joka lopulta menee sähköpiiriin, ja sw + on apusignaali. Luotto: Alex Krasnok et ai. / Physical Review Letters
Vastaanotin lähettää kuitenkin apusignaalin takaisin antenniin ja signaalin vaihe ja amplitudi vastaavat tulevien aaltojen signaaleja, nämä kaksi häiritsevät, mahdollisesti muuttamalla erotetun energian osuutta. Tätä kokoonpanoa käsitellään tässä tarinassa raportoidussa paperissa, jonka on kirjoittanut MIPT: n Denis Baranovin tutkijaryhmä ja jota johtaa Andrea Alu.
Häiriöiden hyödyntäminen aaltojen vahvistamiseksi
Ennen ehdotetun voimansiirtokonfiguraation toteuttamista kokeessa fyysikot arvioivat teoriassa, mitä parannusta tavalliseen passiiviseen antenniin se voisi tarjota. Kävi ilmi, että jos konjugaatin sovitusedellytys täyttyy ensinnäkin, parannusta ei ole ollenkaan: Antenni on aluksi viritetty täydellisesti. Kuitenkin viritetylle antennille, jonka hajoamisajat eroavat merkittävästi - ts. Kun τF on useita kertoja suurempi kuin τw tai päinvastoin - apusignaalilla on huomattava vaikutus. Vaiheesta ja amplitudista riippuen absorboituneen energian osuus voi olla useita kertoja suurempi kuin sama passiivisessa tilassa oleva viritetty antenni. Itse asiassa absorboidun energian määrä voi nousta yhtä suureksi kuin viritetyn antennin määrä (katso kuva 3).
Kuva 3. Kaaviossa (a) esitetään, kuinka vastaanotetun ja kulutetun tehon, joka tunnetaan nimellä energiatase, ero riippuu apusignaalin tehosta viritetylle antennille, jonka τw on 10 kertaa suurempi kuin τF. Oranssi varjostettu alue kattaa mahdollisten vaihesiirtojen alueen tulevan aallon ja signaalin välillä. Katkoviiva edustaa samaa riippuvuutta antennista, jonka τF- ja τw-parametrit ovat samat - eli viritetty antenni. Kaavio (b) esittää parannustekijän - suurimman energiataseen Σ ja passiivisen viritetyn antennin energiatasapainon välisen suhteen - antennin hajoamisaikojen τF / τw välisen suhteen funktiona. Luotto: Alex Krasnok et ai. / Physical Review Letters
Teoreettisten laskelmiensa vahvistamiseksi tutkijat mallinnivat numeerisesti 5 senttimetrin pituisen dipoliantennin, joka oli kytketty virtalähteeseen, ja säteilytti sitä 1,36 gigahertsin aalloilla. Tätä asetusta varten energiatasapainon riippuvuus signaalivaiheesta ja amplitudista (kuva 4) osui yleensä yhteen teoreettisten ennusteiden kanssa. Mielenkiintoista on, että tasapaino maksimoitiin nollavaihesiirtymälle signaalin ja tulevan aallon välillä. Tutkijoiden tarjoama selitys on seuraava: Apusignaalin läsnä ollessa antennin tehollinen aukko paranee, joten se kerää enemmän etenevää energiaa kaapeliin. Tämä aukon kasvu ilmenee antennin ympärillä olevasta Poynting-vektorista, joka osoittaa sähkömagneettisen säteilyn energiansiirron suunnan (katso kuva 5).
Kuva 4. Numeeristen laskelmien tulokset tulevien aaltojen ja signaalin välisille eri siirtymille (vrt. Kuva 3a). Luotto: Alex Krasnok et ai. / Physical Review Letters
Kuva 5. Poyntingin vektorijakauma antennin ympärillä nollavaiheen siirtymälle (vasen) ja vaihesiirrolle 180 astetta (oikealle). Luotto: Alex Krasnok et ai. / Physical Review Letters
Numeeristen simulaatioiden lisäksi ryhmä suoritti kokeen kahdella koaksiaaliadapterilla, jotka toimivat mikroaaltouunina ja sijoitettiin 10 senttimetrin etäisyydelle toisistaan. Yksi sovittimista säteili aaltoja, joiden teho oli noin miljoona wattia, ja toinen yritti poimia niitä ja siirtää energian piiriin koaksiaalikaapelin kautta. Kun taajuus oli asetettu 8 gigahertsiin, sovittimet toimivat viritetyinä antenneina siirtäen tehoa käytännössä ilman häviöitä (kuva 6a). Alemmilla taajuuksilla heijastuneen säteilyn amplitudi kuitenkin nousi jyrkästi, ja sovittimet toimivat enemmän kuin viritetyt antennit (kuva 6b). Jälkimmäisessä tapauksessa tutkijat onnistuivat lisäämään lähetetyn energian määrää lähes kymmenkertaisesti apusignaalien avulla.
Kuva 6. Kokeellisesti mitattu energiataseen riippuvuus vaihesiirrosta ja signaalitehosta viritetylle (a) ja viritetylle (b) antennille. Luotto: Alex Krasnok et ai. / Physical Review Letters
Marraskuussa tutkijaryhmä, mukaan lukien Denis Baranov, osoitti teoreettisesti, että läpinäkyvä materiaali voidaan tehdä absorboimaan suurin osa tulevasta valosta, jos tulevalla valopulssilla on oikeat parametrit (erityisesti amplitudin on kasvettava eksponentiaalisesti). Vuonna 2016 fyysikot MIPT: stä, ITMO-yliopistosta ja Texasin yliopistosta Austinissa kehittivät nanoantenneja, jotka hajottavat valoa eri suuntiin voimakkuudestaan riippuen. Näitä voidaan käyttää ultranopean tiedonsiirto- ja prosessointikanavien luomiseen.
Uutislähde: MIPT