Een internationaal onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van het Moscow Institute of Physics and Technology en de ITMO University, heeft een manier voorgesteld om de efficiëntie van draadloze energieoverdracht over lange afstanden te vergroten en heeft dit getest met numerieke simulaties en experimenten. Om dit te behalen, ze straalden kracht tussen twee antennes, waarvan er één werd geëxciteerd met een terug-propagerend signaal met een specifieke amplitude en fase. De studie wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en kort gerapporteerd in het tijdschrift American Physical Society Natuurkunde .

"Het idee van een coherente absorber werd geïntroduceerd in een paper dat in 2010 werd gepubliceerd. De auteurs toonden aan dat golfinterferentie kan worden gebruikt om de absorptie van licht en elektromagnetische straling in het algemeen te regelen, ", zegt MIPT-promovendus Denis Baranov.

"We hebben besloten om uit te zoeken of andere processen, zoals de voortplanting van elektromagnetische golven, op dezelfde manier kan worden bestuurd. We hebben ervoor gekozen om met een antenne te werken voor draadloze stroomoverdracht, omdat dit systeem enorm zou profiteren van de technologie, "zegt hij. "Nou, we waren nogal verrast om te ontdekken dat krachtoverdracht kan, inderdaad, worden verbeterd door een deel van het ontvangen vermogen van de oplaadbatterij terug te sturen naar de ontvangstantenne."

Spoelen en transformatoren

Draadloze energieoverdracht werd oorspronkelijk voorgesteld door Nikola Tesla aan het einde van de 19e eeuw. Hij slaagde erin fluorescentie- en gloeilampen op afstand aan te steken zonder dat er draden waren die de lampen met een generator verbond. Om deze prestatie neer te zetten, hij gebruikte het principe van elektromagnetische inductie:wanneer een wisselstroom door een spoel gaat, dat wil zeggen, een geleider die in een spiraal rond een cilindervormige kern is gewikkeld - dit geeft aanleiding tot een wisselend magnetisch veld zowel binnen als buiten de spoel. De wet van Faraday zegt dat als een tweede spoel in dit magnetische veld wordt geplaatst (figuur 1), in deze andere spoel wordt een elektrische stroom geïnduceerd, die vervolgens kan worden gebruikt voor het opladen van een accu of een ander doel.

Het is misschien niet duidelijk, maar draadloze energieoverdracht wordt al veel gebruikt. Bijvoorbeeld, niet-aangesloten inductiespoelen vormen het hart van transformatoren in televisietoestellen, smartphones, spaarlampen, stroomkabels, enz. Door de wisselspanning in het elektriciteitsnet en individuele apparaten te verhogen of te verlagen, transformatoren maken een efficiënte krachtoverbrenging en de werking van consumentenelektronica mogelijk. Daarnaast, een technologie die analoog is aan die van Tesla is onlangs geïmplementeerd in draadloze oplaadpads voor telefoons en elektrische auto's. Inductief opladen begint te werken op het moment dat een elektrische auto of een telefoon die de technologie ondersteunt binnen bereik komt.

Vanaf vandaag, echter, "binnen bereik" betekent bovenop de oplader, en dat is een van de belangrijkste tekortkomingen van de momenteel beschikbare technologie. Het probleem is dat de sterkte van het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de spoel in de oplader omgekeerd evenredig is met de afstand er vanaf - dat wil zeggen, het veld vervaagt snel met de afstand. Dus de tweede spoel, die in het apparaat is ingebouwd, moet vrij dichtbij zijn om een ​​merkbare stroom te induceren. Daarom worden magnetische kernen gebruikt om magnetische velden in transformatoren op te sluiten en te geleiden. En daarom werken draadloze opladers ook over afstanden van minder dan 3-5 centimeter. Dat bereik zou, natuurlijk, worden verbeterd door de grootte van een van de spoelen of de stroom erin te vergroten, maar dat zou betekenen dat er sterkere magnetische velden zijn die mogelijk schadelijk zijn voor mensen rond de apparaten. In de meeste landen, er is een wettelijke limiet op stralingsvermogen. Bijvoorbeeld, in Rusland, de stralingsdichtheid rond zendmasten mag niet hoger zijn dan 10 microwatt per vierkante centimeter.

Zendvermogen via de lucht

Er zijn andere manieren om stroom over te dragen zonder kabels die over langere afstanden werken. Deze technieken, bekend als far-field energieoverdracht, of krachtstralend, gebruik twee antennes, waarvan de ene energie in de vorm van elektromagnetische golven naar de andere stuurt, die vervolgens straling omzet in elektrische stromen. De zendantenne kan niet wezenlijk worden verbeterd, omdat het eigenlijk alleen maar golven genereert. De ontvangstantenne, daarentegen, heeft veel meer ruimte voor verbetering.

belangrijk, de ontvangstantenne absorbeert niet alle invallende straling, maar straalt een deel ervan terug. In het algemeen, antennerespons wordt bepaald door twee belangrijke parameters:de vervaltijden τF en τw in straling in de vrije ruimte en in het elektrische circuit, respectievelijk. Deze vervaltijden geven aan hoe lang het duurt voordat de amplitude van een golf met een bepaalde factor is afgenomen - meestal wordt het e-nummer gebruikt. De verhouding tussen deze twee waarden bepaalt hoeveel van de door een invallende golf gedragen energie door de ontvangstantenne wordt "onttrokken". Wanneer de twee vervaltijden gelijk zijn, wordt er een maximale hoeveelheid energie onttrokken. Als τF kleiner is dan τw, herbestraling begint te vroeg. Omgekeerd, als τF groter is dan τw, de antenne is te traag om de invallende straling te absorberen. Als de twee tijden gelijk zijn, ingenieurs zeggen dat aan de voorwaarde voor geconjugeerde matching is voldaan. Met andere woorden, de antenne is afgestemd. Hoewel antennes met die voorwaarde in gedachten worden vervaardigd, het bereiken van absolute precisie is vrij moeilijk. Verder, zelfs een perfecte antenne kan gemakkelijk worden ontstemd door een verandering in temperatuur, signaalreflecties van het terrein, en andere externe factoren. Eindelijk, de hoeveelheid geabsorbeerde energie hangt ook af van de stralingsfrequentie en is gemaximaliseerd voor golven waarvan de frequenties overeenkomen met de resonantiefrequentie van de antenne.

belangrijk, het bovenstaande geldt alleen voor een passieve antenne. Indien, echter, de ontvanger zendt een hulpsignaal terug naar de antenne en de amplitude en fase van het signaal komen overeen met die van de invallende golf, de twee zullen interfereren, mogelijk het aandeel onttrokken energie veranderen. Deze configuratie wordt besproken in het artikel dat in dit verhaal wordt gerapporteerd, die is geschreven door een team van onderzoekers met MIPT's Denis Baranov en geleid door Andrea Alù.

Interferentie benutten om golven te versterken

Voordat ze hun voorgestelde configuratie voor krachtoverbrenging in een experiment implementeren, de natuurkundigen schatten theoretisch in welke verbetering een gewone passieve antenne zou kunnen bieden. Het bleek dat als in de eerste plaats aan de geconjugeerde matchingvoorwaarde wordt voldaan, er is geen enkele verbetering:de antenne is om te beginnen perfect afgesteld. Echter, voor een ontstemde antenne waarvan de vervaltijden aanzienlijk verschillen, dat wil zeggen wanneer τF meerdere malen groter is dan τw, of andersom:het hulpsignaal heeft een merkbaar effect. Afhankelijk van de fase en amplitude, het aandeel geabsorbeerde energie kan meerdere malen groter zijn in vergelijking met dezelfde ontstemde antenne in de passieve modus. In feite, de hoeveelheid geabsorbeerde energie kan zo hoog worden als die van een afgestemde antenne.

Om hun theoretische berekeningen te bevestigen, de onderzoekers modelleerden numeriek een 5 centimeter lange dipoolantenne aangesloten op een stroombron en bestraalden deze met 1,36 gigahertz-golven. Voor deze opstelling, de afhankelijkheid van energiebalans van signaalfase en amplitude viel in het algemeen samen met de theoretische voorspellingen. interessant, de balans werd gemaximaliseerd voor een nulfaseverschuiving tussen het signaal en de invallende golf. De verklaring die de onderzoekers geven is deze:In aanwezigheid van het hulpsignaal, de effectieve opening van de antenne is verbeterd, dus het verzamelt meer voortplantingsenergie in de kabel. Deze toename van het diafragma blijkt uit de Poynting-vector rond de antenne, die de richting aangeeft van de overdracht van elektromagnetische stralingsenergie.

Naast numerieke simulaties, het team voerde een experiment uit met twee coaxiale adapters, die als microgolfantennes dienden en 10 centimeter van elkaar verwijderd waren. Een van de adapters straalde golven uit met een vermogen van ongeveer 1 milliwatt, en de andere probeerde ze op te pakken en de energie via een coaxkabel naar een circuit te sturen. Toen de frequentie werd ingesteld op 8 gigahertz, de adapters werkten als afgestemde antennes, kracht overbrengen met praktisch geen verliezen. Bij lagere frequenties, echter, de amplitude van gereflecteerde straling nam sterk toe, en de adapters functioneerden meer als ontstemde antennes. In het laatste geval, Met behulp van hulpsignalen wisten de onderzoekers de hoeveelheid uitgezonden energie bijna te vertienvoudigen.

In november, een team van onderzoekers, waaronder Denis Baranov, heeft theoretisch aangetoond dat een transparant materiaal kan worden gemaakt om het meeste invallende licht te absorberen, als de binnenkomende lichtpuls de juiste parameters heeft (in het bijzonder, de amplitude moet exponentieel groeien). Terug in 2016, natuurkundigen van MIPT, ITMO-universiteit, en de Universiteit van Texas in Austin ontwikkelde nanoantennes die licht in verschillende richtingen verspreiden, afhankelijk van de intensiteit. Deze kunnen worden gebruikt om ultrasnelle datatransmissie- en verwerkingskanalen te creëren.