Vědci a vědci z Moskevského institutu fyziky a technologie a univerzity ITMO představují způsob, jak zvýšit efektivitu bezdrátového přenosu energie na velké vzdálenosti.
Tým vědců z MIPT a ITMO University to testoval pomocí numerické simulace a experimentů. Za tímto účelem přenášeli energii mezi dvěma anténami. Výsledkem bylo, že jeden z nich byl vzrušen zpětně se šířícím signálem specifické amplitudy a fáze.
„Pojem koherentního absorbéru byl představen v článku publikovaném v roce 2010. Autoři prokázali, že vlnovou interferenci lze použít k řízení absorpce světla a elektromagnetického záření obecně,“ připomíná doktorand MIPT Denis Baranov.
„Rozhodli jsme se zjistit, zda lze stejným způsobem řídit další procesy, jako je šíření elektromagnetických vln. Rozhodli jsme se pracovat s anténou pro bezdrátový přenos energie, protože tento systém by z této technologie měl obrovský užitek,“ říká. „Byli jsme docela překvapeni, když jsme zjistili, že přenos energie lze skutečně zlepšit přenosem části přijímané energie z nabíjecí baterie zpět do přijímací antény.“
Bezdrátový přenos energie původně navržený Nikola Tesla do 19 th století. Použil princip elektromagnetické indukce, jak víme, Faradayův zákon říká, že pokud je druhá cívka umístěna v magnetickém poli první cívky, indukuje elektrický proud ve druhé cívce, který lze použít pro různé aplikace.
Postava. 1. Přerušované čáry magnetických polí kolem dvou indukčních cívek ilustrují princip elektromagnetické indukce
V dnešní době, když mluvíme o dosahu bezdrátového přenosu, přesně to znamená přímo na horní straně nabíječky. Problém je v tom, že síla magnetického pole generovaného cívkou v nabíječce je nepřímo úměrná vzdálenosti od ní. Z tohoto důvodu bezdrátový přenos funguje pouze ve vzdálenosti menší než 3–5 centimetrů. Řešením je zvětšení velikosti jedné z cívek nebo proudu v ní, ale to znamená pro silnější magnetické pole, které je potenciálně škodlivé pro lidi kolem zařízení. Existují také některé země, které mají zákonné limity radiační síly. Stejně jako v Rusku by hustota záření neměla přesahovat 10 mikrowattů na čtvereční centimetr kolem buněčné věže.
Přenos energie vzduchovým médiem
Bezdrátový přenos energie je možný různými způsoby, jako je přenos energie ve vzdáleném poli, vyzařování energie a použití dvou antén, z nichž jedna vysílá energii ve formě elektromagnetických vln na druhou, která dále převádí záření na elektrické proudy. Vysílací anténu nelze výrazně vylepšit, protože v podstatě generuje pouze vlny. Přijímací anténa má mnohem více oblastí pro vylepšení. Neabsorbuje veškeré dopadající záření, ale vyzařuje část z něj. Obecně je odezva antény určena dvěma klíčovými parametry: dobou rozpadu τF a τw do záření volného prostoru a do elektrického obvodu. Poměr mezi těmito dvěma hodnotami definuje, kolik energie přenášené dopadající vlnou je „extrahováno“ přijímací anténou.
Obrázek 2. Přijímací anténa. SF označuje dopadající záření, zatímco sw− je energie, která nakonec jde do elektrického obvodu a sw + je pomocný signál. Uznání: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Přijímač však vysílá pomocný signál zpět na anténu a fáze a amplituda signálu se shodují s dopadající vlnou, tyto dva budou interferovat, což potenciálně změní podíl extrahované energie. Tato konfigurace je popsána v článku, který je uveden v tomto příběhu a jehož autorem je tým výzkumníků Denis Baranov z týmu MIPT pod vedením Andrey Alu.
Využívání interference k zesílení vln
Před implementací jejich navrhované konfigurace přenosu energie do experimentu fyzici teoreticky odhadli, jaké vylepšení na běžné pasivní anténě může nabídnout. Ukázalo se, že pokud je na prvním místě splněna podmínka shody konjugátu, nedochází vůbec k žádnému zlepšení: Anténa je pro začátek dokonale vyladěna. Avšak pro rozladěnou anténu, jejíž doby rozpadu se významně liší - to znamená, když je τF několikrát větší než τw, nebo naopak - má pomocný signál znatelný účinek. V závislosti na jeho fázi a amplitudě může být podíl absorbované energie několikrát větší ve srovnání se stejnou detunovanou anténou v pasivním režimu. Ve skutečnosti může být množství absorbované energie stejně vysoké jako u naladěné antény (viz obrázek 3).
Obrázek 3. Graf v (a) ukazuje, jak rozdíl mezi přijímaným a spotřebovaným výkonem, známý jako energetická bilance Σ, závisí na výkonu pomocného signálu pro rozladěnou anténu s τw 10krát větším než τF. Oranžově stínovaná oblast pokrývá rozsah možných fázových posunů mezi dopadající vlnou a signálem. Přerušovaná čára představuje stejnou závislost pro anténu, jejíž parametry τF a τw jsou stejné - tj. Vyladěná anténa. Graf (b) ukazuje faktor vylepšení - poměr mezi maximální energetickou bilancí Σ a energetickou bilancí pasivně odladěné antény - jako funkce poměru mezi dobami rozpadu antény τF / τw. Uznání: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Aby potvrdili své teoretické výpočty, vědci numericky vymodelovali 5 centimetrů dlouhou dipólovou anténu připojenou ke zdroji energie a ozářili ji vlnami 1,36 gigahertzů. U tohoto nastavení se závislost energetické bilance na fázi signálu a amplitudě (obrázek 4) obecně shodovala s teoretickými předpovědi. Zajímavé je, že rovnováha byla maximalizována pro nulový fázový posun mezi signálem a dopadající vlnou. Vysvětlení, které vědci nabízejí, je toto: V přítomnosti pomocného signálu je vylepšena efektivní clona antény, takže sbírá více šířící se energie do kabelu. Toto zvýšení clony je patrné z Poyntingova vektoru kolem antény, který udává směr přenosu energie elektromagnetického záření (viz obrázek 5).
Obrázek 4. Výsledky numerických výpočtů pro různé fázové posuny mezi dopadající vlnou a signálem (srovnej obrázek 3a). Uznání: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Obrázek 5. Distribuce vektoru poyntingu kolem antény pro nulový fázový posun (vlevo) a fázový posun o 180 stupňů (vpravo). Uznání: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Kromě numerických simulací tým provedl experiment se dvěma koaxiálními adaptéry, které sloužily jako mikrovlnné antény a byly umístěny 10 centimetrů od sebe. Jeden z adaptérů vyzařoval vlny s výkony kolem 1 milliwattu a druhý se je pokusil zachytit a přenášet energii do obvodu koaxiálním kabelem. Když byla frekvence nastavena na 8 gigahertzů, adaptéry fungovaly jako vyladěné antény a přenášely energii prakticky bez ztrát (obrázek 6a). Při nižších frekvencích se však amplituda odraženého záření prudce zvýšila a adaptéry fungovaly spíše jako rozladěné antény (obrázek 6b). V druhém případě se vědcům pomocí pomocných signálů podařilo zvýšit množství přenášené energie téměř desetkrát.
Obrázek 6. Experimentálně měřená závislost energetické bilance na fázovém posunu a výkonu signálu pro vyladěnou (a) a rozladěnou (b) anténu. Uznání: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
V listopadu tým vědců včetně Denise Baranova teoreticky prokázal, že lze vyrobit transparentní materiál, který absorbuje většinu dopadajícího světla, pokud má příchozí puls světla správné parametry (konkrétně musí amplituda exponenciálně růst). V roce 2016 vyvinuli fyzici z MIPT, ITMO University a University of Texas v Austinu nanoantény, které rozptylují světlo různými směry v závislosti na jeho intenzitě. Ty mohou být použity k vytvoření ultrarychlých kanálů pro přenos a zpracování dat.
Zdroj zpráv: MIPT