Ricercatori e scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Università ITMO presentano un modo per aumentare l'efficienza del trasferimento di potenza wireless su lunghe distanze.
Un team di ricercatori del MIPT e della ITMO University lo ha testato con simulazioni numeriche ed esperimenti. Per raggiungere questo obiettivo, hanno trasmesso potenza tra due antenne. Di conseguenza, uno di loro è stato eccitato da un segnale di propagazione all'indietro di ampiezza e fase specifiche.
"La nozione di assorbitore coerente è stata introdotta in un documento pubblicato nel 2010. Gli autori hanno dimostrato che l'interferenza delle onde può essere utilizzata per controllare l'assorbimento della luce e delle radiazioni elettromagnetiche in generale", ricorda il dottorando MIPT Denis Baranov.
"Abbiamo deciso di scoprire se altri processi, come la propagazione delle onde elettromagnetiche, possono essere controllati nello stesso modo. Abbiamo scelto di lavorare con un'antenna per il trasferimento di potenza wireless, perché questo sistema trarrebbe enormi benefici dalla tecnologia", afferma. "Ebbene, siamo rimasti piuttosto sorpresi di scoprire che il trasferimento di potenza può effettivamente essere migliorato trasmettendo una parte della potenza ricevuta dalla batteria in carica all'antenna ricevente".
Trasferimento di potenza wireless originariamente proposto da Nikola Tesla nel 19 ° secolo. Ha utilizzato il principio dell'induzione elettromagnetica, come sappiamo la legge di Faraday dice che se una seconda bobina viene posta nel campo magnetico della prima bobina, induce una corrente elettrica nella seconda bobina, che può essere utilizzata per le varie applicazioni.
Figura. 1. Le linee tratteggiate dei campi magnetici attorno a due bobine di induzione illustrano il principio dell'induzione elettromagnetica
Al giorno d'oggi, se parliamo della portata del trasferimento wireless, significa esattamente sulla parte superiore del caricabatterie. Il problema è che la forza del campo magnetico generato dalla bobina nel caricatore è inversamente proporzionale alla distanza da esso. Per questo motivo, il trasferimento wireless funziona solo a distanze inferiori a 3-5 centimetri. Come soluzione, aumentare la dimensione di una delle bobine o della corrente in essa, ma questo significa un campo magnetico più forte che è potenzialmente dannoso per gli esseri umani intorno al dispositivo. Inoltre, ci sono alcuni paesi che hanno limiti legali sulla potenza delle radiazioni. Come in Russia, la densità della radiazione non dovrebbe superare i 10 microwatt per centimetro quadrato attorno alla torre cellulare.
Trasmissione di potenza attraverso un mezzo aereo
Il trasferimento di potenza wireless è possibile con vari metodi come il trasferimento di energia in campo lontano, la trasmissione di potenza e utilizza due antenne, una delle quali invia energia sotto forma di onde elettromagnetiche all'altra che converte ulteriormente le radiazioni in correnti elettriche. L'antenna trasmittente non può essere notevolmente migliorata, perché fondamentalmente genera solo onde. L'antenna ricevente ha molte più aree di miglioramento. Non assorbe tutta la radiazione incidente ma ne irradia una parte alla schiena. Generalmente, la risposta dell'antenna è determinata da due parametri chiave: il tempo di decadimento τF e τw rispettivamente nella radiazione dello spazio libero e nel circuito elettrico. Il rapporto tra questi due valori definisce quanta energia viene trasportata da un'onda incidente viene “estratta” dall'antenna ricevente.
Figura 2. Antenna ricevente. SF denota radiazione incidente, mentre sw− è l'energia che alla fine entra nel circuito elettrico e sw + è il segnale ausiliario. Credito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Tuttavia, il ricevitore trasmette un segnale ausiliario all'antenna e la fase e l'ampiezza del segnale corrispondono a quelle dell'onda incidente, questi due interferiranno, alterando potenzialmente la proporzione di energia estratta. Questa configurazione è discussa nel documento riportato in questa storia, che è stato scritto da un team di ricercatori del MIPT di Denis Baranov e guidato da Andrea Alu.
Sfruttare le interferenze per amplificare le onde
Prima di implementare la configurazione di trasmissione di potenza proposta in un esperimento, i fisici hanno teoricamente stimato quale miglioramento potrebbe offrire su una normale antenna passiva. Si è scoperto che se la condizione di abbinamento coniugato è soddisfatta in primo luogo, non c'è alcun miglioramento: l'antenna è perfettamente sintonizzata per cominciare. Tuttavia, per un'antenna smontata i cui tempi di decadimento differiscono in modo significativo, ovvero quando τF è molte volte più grande di τw, o viceversa - il segnale ausiliario ha un effetto notevole. A seconda della sua fase e ampiezza, la proporzione di energia assorbita può essere molte volte maggiore rispetto alla stessa antenna smontata in modalità passiva. In effetti, la quantità di energia assorbita può arrivare fino a quella di un'antenna accordata (vedi figura 3).
Figura 3. Il grafico in (a) mostra come la differenza tra la potenza ricevuta e quella consumata, nota come bilancio energetico Σ, dipende dalla potenza del segnale ausiliario per un'antenna scordata con τw 10 volte maggiore di τF. L'area ombreggiata in arancione copre la gamma di possibili sfasamenti tra l'onda incidente e il segnale. La linea tratteggiata rappresenta la stessa dipendenza per un'antenna i cui parametri τF e τw sono uguali, ovvero un'antenna accordata. Il grafico (b) mostra il fattore di potenziamento - il rapporto tra il massimo bilancio energetico Σ e il bilancio energetico di un'antenna scordata passiva - in funzione del rapporto tra i tempi di decadimento dell'antenna τF / τw. Credito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Per confermare i loro calcoli teorici, i ricercatori hanno modellato numericamente un'antenna dipolo lunga 5 centimetri collegata a una fonte di alimentazione e l'hanno irradiata con onde di 1,36 gigahertz. Per questa configurazione, la dipendenza del bilancio energetico dalla fase e dall'ampiezza del segnale (figura 4) generalmente coincideva con le previsioni teoriche. È interessante notare che l'equilibrio è stato massimizzato per uno spostamento di fase zero tra il segnale e l'onda incidente. La spiegazione offerta dai ricercatori è questa: in presenza del segnale ausiliario, l'effettiva apertura dell'antenna è aumentata, quindi raccoglie più energia di propagazione nel cavo. Questo aumento dell'apertura è evidente dal vettore Poynting attorno all'antenna, che indica la direzione del trasferimento di energia della radiazione elettromagnetica (vedi figura 5).
Figura 4. Risultati dei calcoli numerici per vari sfasamenti tra l'onda incidente e il segnale (confrontare la figura 3a). Credito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figura 5. Distribuzione vettoriale puntuale attorno all'antenna per uno spostamento di fase zero (a sinistra) e uno spostamento di fase di 180 gradi (a destra). Credito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Oltre alle simulazioni numeriche, il team ha eseguito un esperimento con due adattatori coassiali, che fungevano da antenne a microonde e sono stati posizionati a 10 centimetri di distanza. Uno degli adattatori ha irradiato onde con potenze intorno a 1 milliwatt e l'altro ha tentato di raccoglierli e trasmettere l'energia in un circuito attraverso un cavo coassiale. Quando la frequenza era impostata su 8 gigahertz, gli adattatori funzionavano come antenne sintonizzate, trasferendo potenza praticamente senza perdite (figura 6a). A frequenze più basse, tuttavia, l'ampiezza della radiazione riflessa è aumentata notevolmente e gli adattatori hanno funzionato più come antenne smontate (figura 6b). In quest'ultimo caso, i ricercatori sono riusciti a incrementare quasi dieci volte la quantità di energia trasmessa con l'aiuto di segnali ausiliari.
Figura 6. Dipendenza del bilancio energetico misurata sperimentalmente dallo sfasamento e dalla potenza del segnale per un'antenna sintonizzata (a) e scordata (b). Credito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
A novembre, un team di ricercatori, tra cui Denis Baranov, ha teoricamente dimostrato che è possibile creare un materiale trasparente per assorbire la maggior parte della luce incidente, se l'impulso di luce in entrata ha i parametri giusti (in particolare, l'ampiezza deve crescere in modo esponenziale). Nel 2016, i fisici del MIPT, della ITMO University e dell'Università del Texas ad Austin hanno sviluppato nano-antenne che diffondono la luce in direzioni diverse a seconda della sua intensità. Questi possono essere utilizzati per creare canali di trasmissione ed elaborazione dati ultraveloci.
Fonte di notizie: MIPT