Vedci a vedci z Moskovského fyzikálneho a technologického ústavu a univerzity ITMO predstavujú spôsob, ako zvýšiť efektivitu bezdrôtového prenosu energie na veľké vzdialenosti.
Tím výskumníkov z MIPT a ITMO University to testoval pomocou numerickej simulácie a experimentov. Na dosiahnutie tohto cieľa prenášali energiu medzi dvoma anténami. Výsledkom bolo, že jeden z nich bol vzrušený spätne sa šíriacim signálom so špecifickou amplitúdou a fázou.
„Pojem koherentný absorbér bol predstavený v článku publikovanom ešte v roku 2010. Autori preukázali, že vlnovú interferenciu možno použiť na riadenie absorpcie svetla a elektromagnetického žiarenia všeobecne,“ pripomína doktorand MIPT Denis Baranov.
"Rozhodli sme sa zistiť, či je možné rovnakým spôsobom riadiť aj ďalšie procesy, napríklad šírenie elektromagnetických vĺn. Pre bezdrôtový prenos energie sme sa rozhodli pracovať s anténou, pretože tento systém by z tejto technológie mal obrovský úžitok," hovorí. „Nás celkom prekvapilo, keď sme zistili, že prenos energie sa dá skutočne zlepšiť prenosom časti prijatej energie z nabíjacej batérie späť do prijímacej antény.“
Bezdrôtový prenos energie pôvodne navrhovaný Nikola Tesla do 19 th storočia. Použil princíp elektromagnetickej indukcie, ako vieme Faradayov zákon hovorí, že ak je druhá magnetická cievka umiestnená v magnetickom poli prvej cievky, indukuje v druhej cievke elektrický prúd, ktorý je možné využiť na rôzne použitie.
Obrázok. 1. Prerušované čiary magnetických polí okolo dvoch indukčných cievok ilustrujú princíp elektromagnetickej indukcie
V dnešnej dobe, keď hovoríme o dosahu bezdrôtového prenosu, znamená to presne na vrchnej strane nabíjačky. Problém je v tom, že sila magnetického poľa generovaného cievkou v nabíjačke je nepriamo úmerná vzdialenosti od nej. Z tohto dôvodu bezdrôtový prenos funguje iba na vzdialenosť menšiu ako 3 - 5 centimetrov. Riešením je zväčšenie veľkosti jednej z cievok alebo prúdu v nej, ale to znamená pre silnejšie magnetické pole, ktoré je potenciálne škodlivé pre ľudí v okolí zariadenia. Existujú aj niektoré krajiny, ktoré majú zákonné limity radiačnej sily. Rovnako ako v Rusku, hustota žiarenia by nemala presahovať 10 mikrowattov na centimeter štvorcový okolo bunkovej veže.
Prenos energie vzduchovým médiom
Bezdrôtový prenos energie je možný rôznymi metódami, ako je prenos energie na veľké pole, vyžarovanie energie a použitie dvoch antén, z ktorých jedna vysiela energiu vo forme elektromagnetických vĺn do druhej, ktorá ďalej premieňa žiarenie na elektrické prúdy. Vysielacia anténa sa nedá výrazne vylepšiť, pretože v podstate vytvára iba vlny. Prijímacia anténa má oveľa viac oblastí na vylepšenie. Neabsorbuje všetko dopadajúce žiarenie, ale časť z neho vyžaruje dozadu. Odozva antény je vo všeobecnosti určená dvoma kľúčovými parametrami: dobou rozpadu τF a τw na žiarenie voľného priestoru a do elektrického obvodu. Pomer medzi týmito dvoma hodnotami definuje, koľko energie prenášanej dopadajúcou vlnou je „extrahované“ prijímajúcou anténou.
Obrázok 2. Prijímacia anténa. SF označuje dopadajúce žiarenie, zatiaľ čo sw− je energia, ktorá nakoniec ide do elektrického obvodu, a sw + je pomocný signál. Poďakovanie: Alex Krasnok a kol. / Fyzické kontrolné listy
Prijímač však vysiela pomocný signál späť na anténu a fáza a amplitúda signálu zodpovedajú amplitúde dopadajúcej vlny, tieto dva rušia a potenciálne menia podiel extrahovanej energie. O tejto konfigurácii pojednáva príspevok uvedený v tomto príbehu, ktorého autorom bol tím výskumných pracovníkov MIPT Denisa Baranova a ktorý viedla Andrea Alu.
Využívanie interferencie na zosilnenie vĺn
Pred implementáciou navrhovanej konfigurácie prenosu energie do experimentu fyzici teoreticky odhadli, aké vylepšenie by mohla ponúknuť bežná pasívna anténa. Ukázalo sa, že ak je na prvom mieste splnená podmienka zhody konjugátu, nedochádza k nijakému zlepšeniu: Anténa je na začiatok dokonale vyladená. Avšak pre rozladenú anténu, ktorej doby rozpadu sa výrazne líšia - to znamená, keď je τF niekoľkonásobne väčšie ako τw, alebo naopak - má pomocný signál znateľný účinok. V závislosti od jeho fázy a amplitúdy môže byť podiel absorbovanej energie niekoľkonásobne vyšší v porovnaní s rovnakou rozladenou anténou v pasívnom režime. V skutočnosti môže byť množstvo absorbovanej energie také vysoké ako množstvo vyladenej antény (pozri obrázok 3).
Obrázok 3. Graf v (a) ukazuje, ako rozdiel medzi prijatým a spotrebovaným výkonom, známy ako energetická bilancia Σ, závisí od výkonu pomocného signálu pre rozladenú anténu s τw 10-krát väčším ako τF. Oranžovo zatienená oblasť pokrýva rozsah možných fázových posunov medzi dopadajúcou vlnou a signálom. Prerušovaná čiara predstavuje rovnakú závislosť pre anténu, ktorej parametre τF a τw sú rovnaké - to znamená naladená anténa. Graf (b) zobrazuje faktor zosilnenia - pomer medzi maximálnou energetickou bilanciou Σ a energetickou bilanciou pasívne rozladenej antény - ako funkcia pomeru medzi časmi rozpadu antény τF / τw. Poďakovanie: Alex Krasnok a kol. / Fyzické kontrolné listy
Na potvrdenie svojich teoretických výpočtov vedci numericky modelovali 5 centimetrov dlhú dipólovú anténu pripojenú k zdroju energie a ožarovali ju vlnami 1,36 gigahertzu. Pre toto nastavenie sa závislosť energetickej rovnováhy od fázy signálu a amplitúdy (obrázok 4) spravidla zhodovala s teoretickými predikciami. Je zaujímavé, že rovnováha bola maximalizovaná pre nulový fázový posun medzi signálom a dopadajúcou vlnou. Vysvetlenie, ktoré výskumníci ponúkajú, je toto: V prítomnosti pomocného signálu je vylepšená efektívna clona antény, takže zhromažďuje viac rozširujúcej sa energie do kábla. Toto zvýšenie clony je zrejmé z Poyntingovho vektora okolo antény, ktorý označuje smer prenosu energie elektromagnetického žiarenia (pozri obrázok 5).
Obrázok 4. Výsledky numerických výpočtov pre rôzne fázové posuny medzi dopadajúcou vlnou a signálom (porovnaj obrázok 3a). Poďakovanie: Alex Krasnok a kol. / Fyzické kontrolné listy
Obrázok 5. Distribúcia vektora poyntingu okolo antény pre nulový fázový posun (vľavo) a fázový posun o 180 stupňov (vpravo). Poďakovanie: Alex Krasnok a kol. / Fyzické kontrolné listy
Okrem numerických simulácií tím uskutočnil experiment s dvoma koaxiálnymi adaptérmi, ktoré slúžili ako mikrovlnné antény a boli umiestnené 10 centimetrov od seba. Jeden z adaptérov vyžaroval vlny s výkonmi okolo 1 miliwattu a druhý sa ich pokúsil zachytiť a koaxiálnym káblom preniesť energiu do obvodu. Keď bola frekvencia nastavená na 8 gigahertzov, adaptéry fungovali ako vyladené antény a prenášali energiu prakticky bez strát (obrázok 6a). Pri nižších frekvenciách sa však amplitúda odrazeného žiarenia prudko zvýšila a adaptéry fungovali skôr ako rozladené antény (obrázok 6b). V druhom prípade sa vedcom podarilo pomocou pomocných signálov zvýšiť množstvo prenášanej energie takmer desaťkrát.
Obrázok 6. Experimentálne nameraná závislosť energetickej bilancie na fázovom posune a sile signálu pre vyladenú (a) a rozladenú (b) anténu. Poďakovanie: Alex Krasnok a kol. / Fyzické kontrolné listy
V novembri tím výskumníkov vrátane Denisa Baranova teoreticky preukázal, že je možné vyrobiť transparentný materiál, ktorý absorbuje väčšinu dopadajúceho svetla, ak má prichádzajúci svetelný impulz správne parametre (konkrétne musí amplitúda rásť exponenciálne). V roku 2016 vyvinuli fyzici z MIPT, ITMO University a University of Texas v Austine nanoantény, ktoré rozptyľujú svetlo rôznymi smermi v závislosti od jeho intenzity. Môžu sa použiť na vytvorenie ultrarýchlych kanálov na prenos a spracovanie údajov.
Zdroj správ: MIPT