Forskere og forskere fra Moscow Institute of Physics and Technology og ITMO University presenterer en måte å øke effektiviteten av trådløs kraftoverføring over lang avstand.
Team av forskere fra MIPT og ITMO University testet det med numerisk simulering og eksperimenter. For å oppnå dette overførte de strøm mellom to antenner. Som et resultat var en av dem begeistret med et tilbakespredningssignal med spesifikk amplitude og fase.
"Forestillingen om en sammenhengende absorber ble introdusert i et papir som ble publisert tilbake i 2010. Forfatterne viste at bølgeforstyrrelser kan brukes til å kontrollere absorpsjonen av lys og elektromagnetisk stråling generelt," minnes MIPT doktorgradsstudent Denis Baranov.
"Vi bestemte oss for å finne ut om andre prosesser, for eksempel elektromagnetisk bølgeutbredelse, kan styres på samme måte. Vi valgte å jobbe med en antenne for trådløs kraftoverføring, fordi dette systemet ville ha stor nytte av teknologien," sier han. "Vel, vi var ganske overrasket over å finne ut at kraftoverføring virkelig kan forbedres ved å overføre en del av mottatt strøm fra ladebatteriet tilbake til mottakerantennen."
Trådløs kraftoverføring opprinnelig foreslått av Nikola Tesla i 19 th århundre. Han brukte prinsippet om elektromagnetisk induksjon, som vi vet Faradays lov sier at hvis en andre spole er plassert i magnetfeltet til den første spolen, induserer den en elektrisk strøm i den andre spolen, som kan brukes til de forskjellige applikasjonene.
Figur. 1. Stiplede linjer av magnetfeltene rundt to induksjonsspoler illustrerer prinsippet om elektromagnetisk induksjon
I dag, hvis vi snakker om rekkevidden for trådløs overføring, betyr det nøyaktig på toppen av laderen. Problemet er at styrken til magnetfeltet som genereres av spolen i laderen, er omvendt proporsjonal med avstanden fra den. På grunn av dette fungerer trådløs overføring bare i avstand mindre enn 3-5 centimeter. Som en løsning på det, øker du størrelsen på en av spolene eller strømmen i den, men dette betyr for et sterkere magnetfelt som potensielt er skadelig for mennesker rundt enheten. Det er også noen land som har lovlige grenser for strålekraft. Som i Russland, bør tettheten av stråling ikke overstige 10 mikrowatt per kvadratcentimeter rundt celletårnet.
Kraftoverføring gjennom et luftmedium
Trådløs kraftoverføring er mulig ved forskjellige metoder som fjernfelt energioverføring, kraftstråling og bruk av to antenner, hvorav den ene sender energi i form av elektromagnetiske bølger til den andre som videre omdanner stråling til elektriske strømmer. Sendeantennen kan ikke forbedres i stor grad, fordi den i utgangspunktet bare genererer bølger. Mottaksantennen har mye flere områder for forbedring. Den absorberer ikke all innfallende stråling, men utstrålte noe av den. Generelt blir antennes respons bestemt av to viktige parametere: henfallstiden τF og τw til henholdsvis ledig romstråling og inn i den elektriske kretsen. Forholdet mellom disse to verdiene definerer hvor mye av energien som bæres av en innfallende bølge som "ekstraheres" av mottakerantennen.
Figur 2. Mottakerantenne. SF betegner innfallende stråling, mens sw− er energien som til slutt går inn i den elektriske kretsen og sw + er hjelpesignalet. Kreditt: Alex Krasnok et al./Fysical Review Letters
Imidlertid sender mottakeren et hjelpesignal tilbake til antennen, og signalets fase og amplitude samsvarer med de innfallende bølgene, disse to vil forstyrre, og potensielt endre andelen utvunnet energi. Denne konfigurasjonen er diskutert i papiret som ble rapportert i denne historien, som ble skrevet av et MIPT-team av forskere fra Denis Baranov og ledet av Andrea Alu.
Utnytte forstyrrelser for å forsterke bølger
Før de implementerte den foreslåtte kraftoverføringskonfigurasjonen i et eksperiment, estimerte fysikerne teoretisk hvilken forbedring på en vanlig passiv antenne den kunne tilby. Det viste seg at hvis den konjugerte matchingtilstanden er oppfylt i utgangspunktet, er det ingen forbedring overhodet: Antennen er perfekt innstilt til å begynne med. Imidlertid har hjelpesignalet en merkbar effekt for en detunert antenne hvis forfallstid varierer betydelig - det vil si når τF er flere ganger større enn τw, eller omvendt. Avhengig av fase og amplitude, kan andelen absorbert energi være flere ganger større sammenlignet med den samme avskårne antennen i passiv modus. Faktisk kan mengden absorbert energi bli så høy som for en innstilt antenne (se figur 3).
Figur 3. Grafen i (a) viser hvordan forskjellen mellom mottatt og konsumert kraft, kjent som energibalansen Σ, avhenger av hjelpesignaleffekten for en detunert antenne med τw 10 ganger større enn τF. Det oransje skyggelagte området dekker rekkevidden av mulige faseforskyvninger mellom innfallende bølge og signalet. Den stiplede linjen representerer den samme avhengigheten for en antenne hvis τF og τw parametere er like - det vil si en innstilt antenne. Graf (b) viser forbedringsfaktoren - forholdet mellom den maksimale energibalansen Σ og energibalansen til en passiv avstemt antenne - som en funksjon av forholdet mellom antennens forfallstid τF / τw. Kreditt: Alex Krasnok et al./Fysical Review Letters
For å bekrefte sine teoretiske beregninger modellerte forskerne numerisk en 5 centimeter lang dipolantenne koblet til en strømkilde og bestrålte den med 1,36 gigahertz-bølger. For dette oppsettet falt avhengigheten av energibalanse av signalfase og amplitude (figur 4) generelt sammen med de teoretiske spådommene. Interessant nok ble balansen maksimert for et nullfaseskift mellom signalet og innfallende bølge. Forklaringen som forskerne tilbyr er denne: I nærvær av hjelpesignalet forbedres antennens effektive blender, slik at den samler mer forplantende energi inn i kabelen. Denne økningen i blenderåpningen fremgår av Poynting-vektoren rundt antennen, som indikerer retningen for overføring av elektromagnetisk strålingsenergi (se figur 5).
Figur 4. Resultater av numeriske beregninger for ulike faseforskyvninger mellom innfallende bølge og signalet (sammenlign figur 3a). Kreditt: Alex Krasnok et al./Fysical Review Letters
Figur 5. Poynting vektordistribusjon rundt antennen for en nullfaseskift (venstre) og en faseforskyvning på 180 grader (høyre). Kreditt: Alex Krasnok et al./Fysical Review Letters
I tillegg til numeriske simuleringer, utførte teamet et eksperiment med to koaksiale adaptere, som fungerte som mikrobølgeovne og var plassert 10 centimeter fra hverandre. Den ene adapteren utstrålte bølger med kraft rundt 1 milliwatt, og den andre forsøkte å plukke dem opp og overføre energien til en krets gjennom en koaksialkabel. Da frekvensen ble satt til 8 gigahertz, fungerte adapterne som innstilte antenner, og overførte strøm nesten uten tap (figur 6a). Ved lavere frekvenser økte imidlertid amplituden for reflektert stråling kraftig, og adapterne fungerte mer som detunerte antenner (figur 6b). I sistnevnte tilfelle klarte forskerne å øke mengden overført energi nesten ti ganger ved hjelp av hjelpesignaler.
Figur 6. Eksperimentelt målt energibalanseavhengighet av faseforskyvning og signaleffekt for en innstilt (a) og avstemt (b) antenne. Kreditt: Alex Krasnok et al./Fysical Review Letters
I november demonstrerte et team av forskere, inkludert Denis Baranov, teoretisk at et gjennomsiktig materiale kan lages for å absorbere mest innfallende lys, hvis den innkommende lyspulsen har de riktige parametrene (spesifikt må amplituden vokse eksponentielt). Tilbake i 2016 utviklet fysikere fra MIPT, ITMO University og University of Texas i Austin nano-antenner som sprer lys i forskjellige retninger avhengig av intensiteten. Disse kan brukes til å lage ultrasnelle dataoverførings- og behandlingskanaler.
Nyhetskilde: MIPT