Raziskovalci in znanstveniki z moskovskega Inštituta za fiziko in tehnologijo in univerze ITMO predstavljajo način za povečanje učinkovitosti brezžičnega prenosa moči na velike razdalje.
Skupina raziskovalcev z univerze MIPT in ITMO ga je preizkusila s numerično simulacijo in eksperimenti. Da bi to dosegli, so oddajali moč med dvema antenama. Posledično je bil eden od njih vznemirjen s povratnim signalom specifične amplitude in faze.
"Pojem koherentnega absorberja je bil predstavljen v članku, objavljenem leta 2010. Avtorji so pokazali, da je valovno motenje mogoče uporabiti za nadzor absorpcije svetlobe in elektromagnetnega sevanja na splošno," se spominja doktorski študent MIPT Denis Baranov.
"Odločili smo se, da bomo ugotovili, ali je mogoče na enak način nadzorovati tudi druge procese, kot je širjenje elektromagnetnih valov. Odločili smo se za sodelovanje z anteno za brezžični prenos moči, ker bi ta sistem imel veliko koristi od tehnologije," pravi. "No, bili smo precej presenečeni, ko smo ugotovili, da je prenos moči res mogoče izboljšati s prenosom dela prejete moči iz polnilne baterije nazaj na sprejemno anteno."
Brezžični prenos moči Nikola Tesla prvotno predlagano v 19 th stoletja. Uporabil je princip elektromagnetne indukcije, saj poznamo Faradayev zakon, ki pravi, da če je druga tuljava postavljena v magnetno polje prve tuljave, v drugi tuljavi inducira električni tok, ki ga lahko uporabimo za različne aplikacije.
Slika 1. Črtkane črte magnetnih polj okoli dveh indukcijskih tuljav ponazarjajo princip elektromagnetne indukcije
Danes, če govorimo o obsegu brezžičnega prenosa, natančno to pomeni na vrhu polnilca. Težava je v tem, da je jakost magnetnega polja, ki ga tuljava v polnilniku ustvari, obratno sorazmerna z razdaljo od njega. Zaradi tega brezžični prenos deluje le na razdalji, manjši od 3-5 centimetrov. Kot rešitev zanj je povečanje velikosti ene tuljave ali toka v njej, vendar to pomeni močnejše magnetno polje, ki je potencialno škodljivo za ljudi okoli naprave. Obstajajo tudi nekatere države, ki imajo zakonske omejitve glede moči sevanja. Tako kot v Rusiji tudi pri celičnem stolpu gostota sevanja ne bi smela presegati 10 mikrovatov na kvadratni centimeter.
Prenos moči skozi zračni medij
Brezžični prenos moči je mogoč z različnimi metodami, kot so prenos energije iz daljnega polja, oddajanje moči in uporaba dveh anten, od katerih ena pošilja energijo v obliki elektromagnetnih valov drugi, ki nadalje pretvarja sevanje v električne tokove. Oddajne antene ni mogoče močno izboljšati, ker v bistvu ustvarja samo valove. Sprejemna antena ima veliko več področij za izboljšave. Ne absorbira vsega padajočega sevanja, nekaj pa ga je oddalo nazaj. Na splošno odziv antene določata dva ključna parametra: čas upadanja τF in τw v sevanje prostega prostora oziroma v električni tokokrog. Razmerje med tema dvema vrednostma določa, koliko energije prevzame vpadni val, ki ga »izvleče« sprejemna antena.
Slika 2. Sprejemna antena. SF označuje vpadno sevanje, medtem ko je sw− energija, ki na koncu preide v električni tokokrog, sw + pa pomožni signal. Zasluge: Alex Krasnok in drugi / Pisma o fizičnem pregledu
Vendar sprejemnik pošlje pomožni signal nazaj na anteno in faza in amplituda signala se ujemata z vpadnim valom, ta dva bosta motila, kar bo lahko spremenilo delež pridobljene energije. Ta konfiguracija je obravnavana v prispevku, objavljenem v tej zgodbi, katere avtor je skupina raziskovalcev MIPT-a Denisa Baranova in jo vodi Andrea Alu.
Izkoriščanje motenj za ojačanje valov
Preden so fiziki v poskusu izvedli predlagano konfiguracijo prenosa moči, so teoretično ocenili, kakšne izboljšave na običajni pasivni anteni bi lahko ponudili. Izkazalo se je, da če je pogoj ujemanja konjugata v prvi vrsti izpolnjen, ni nobenega izboljšanja: Antena je za začetek popolnoma nastavljena. Vendar pa ima pri detunirani anteni, katere časi upadanja se bistveno razlikujejo - torej kadar je τF večkrat večji od τw, ali obratno - pomožni signal opazen učinek. Odvisno od faze in amplitude je lahko delež absorbirane energije nekajkrat večji v primerjavi z isto razčlenjeno anteno v pasivnem načinu. Dejansko lahko količina absorbirane energije postane tako visoka kot pri nastavljeni anteni (glej sliko 3).
Slika 3. Graf v (a) prikazuje, kako je razlika med sprejeto in porabljeno močjo, znano kot energijska bilanca Σ, odvisna od moči pomožnega signala za razčlenjeno anteno s τw 10-krat večjo od τF. Oranžno zasenčeno območje pokriva obseg možnih faznih premikov med vpadnim valom in signalom. Črtkana črta predstavlja enako odvisnost za anteno, katere parametri τF in τw so enaki - to je nastavljena antena. Graf (b) prikazuje faktor povečanja - razmerje med največjo energijsko bilanco Σ in energijsko bilanco pasivno razčlenjene antene - v odvisnosti od razmerja med časi upada antene τF / τw. Zasluge: Alex Krasnok in drugi / Pisma o fizičnem pregledu
Za potrditev svojih teoretičnih izračunov so raziskovalci numerično modelirali 5 centimetrov dolgo dipolno anteno, priključeno na vir energije, in jo obsevali z valovi 1,36 gigaherca. Pri tej nastavitvi je odvisnost energetske bilance od faze in amplitude signala (slika 4) na splošno sovpadala s teoretičnimi napovedmi. Zanimivo je, da je bilo ravnovesje maksimirano za ničelni fazni premik med signalom in vpadnim valom. Razlaga, ki so jo ponudili raziskovalci, je naslednja: pri predstavitvi pomožnega signala se poveča efektivna odprtina antene, tako da v kabel zbira več energije, ki se širi. To povečanje zaslonke je razvidno iz Poyntingovega vektorja okoli antene, ki kaže smer prenosa energije elektromagnetnega sevanja (glej sliko 5).
Slika 4. Rezultati numeričnih izračunov za različne fazne premike med vpadnim valom in signalom (primerjaj sliko 3a). Zasluge: Alex Krasnok in drugi / Pisma o fizičnem pregledu
Slika 5. Poyntingova vektorska porazdelitev okoli antene za ničelni fazni premik (levo) in fazni premik 180 stopinj (desno). Zasluge: Alex Krasnok in drugi / Pisma o fizičnem pregledu
Poleg numeričnih simulacij je skupina izvedla poskus z dvema koaksialnima adapterjema, ki sta služila kot mikrovalovni anteni in sta bila nameščena 10 centimetrov narazen. Eden od adapterjev je seval valove z močjo okoli 1 milivata, drugi pa jih je poskušal pobrati in prenesti energijo v vezje prek koaksialnega kabla. Ko je bila frekvenca nastavljena na 8 gigahercev, so adapterji delovali kot nastavljene antene in prenašali moč skoraj brez izgub (slika 6a). Pri nižjih frekvencah pa se je amplituda odsevanega sevanja močno povečala in adapterji so delovali bolj kot razčlenjene antene (slika 6b). V slednjem primeru je raziskovalcem s pomočjo pomožnih signalov uspelo skoraj desetkrat povečati količino oddane energije.
Slika 6. Eksperimentalno izmerjena odvisnost energijske bilance od faznega premika in moči signala za nastavljeno (a) in razčlenjeno (b) anteno. Zasluge: Alex Krasnok in drugi / Pisma o fizičnem pregledu
Novembra je skupina raziskovalcev, vključno z Denisom Baranovom, teoretično dokazala, da je mogoče narediti prozoren material, ki absorbira večino vpadne svetlobe, če ima dohodni svetlobni impulz ustrezne parametre (natančneje, amplituda mora eksponentno naraščati). Leta 2016 so fiziki z MIPT, univerze ITMO in univerze v Teksasu v Austinu razvili nano-antene, ki razpršijo svetlobo v različnih smereh, odvisno od njene jakosti. Ti se lahko uporabljajo za ustvarjanje ultrahitrih kanalov za prenos in obdelavo podatkov.
Vir novic: MIPT