Istraživači i znanstvenici s Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i Sveučilišta ITMO predstavljaju način za povećanje učinkovitosti bežičnog prijenosa snage na velike udaljenosti.
Tim istraživača sa Sveučilišta MIPT i ITMO testirao ga je numeričkom simulacijom i eksperimentima. Da bi to postigli, prenosili su snagu između dvije antene. Kao rezultat, jednog od njih uzbudio je signal koji se širi unatrag specifične amplitude i faze.
"Pojam koherentnog apsorbera predstavljen je u radu objavljenom 2010. Autori su pokazali da se interferencija valova može koristiti za kontrolu apsorpcije svjetlosti i općenito elektromagnetskog zračenja", prisjeća se doktorand MIPT-a Denis Baranov.
"Odlučili smo otkriti mogu li se i drugi procesi, poput širenja elektromagnetskog vala, moći kontrolirati na isti način. Odlučili smo raditi s antenom za bežični prijenos snage, jer bi ovaj sustav imao velike koristi od tehnologije", kaže on. "Pa, bili smo prilično iznenađeni kad smo saznali da se prijenos snage doista može poboljšati prijenosom dijela primljene energije iz baterije za punjenje natrag na antenu za prijam."
Bežični prijenos energije izvorno predložio Nikola Tesla u 19 -og stoljeća. Koristio je princip elektromagnetske indukcije, jer znamo da Faradayev zakon kaže da ako se druga zavojnica postavi u magnetsko polje prve zavojnice, ona inducira električnu struju u drugoj zavojnici, koja se može koristiti za različite primjene.
Lik. 1. Isprekidane crte magnetskih polja oko dva indukcijska svitka ilustriraju princip elektromagnetske indukcije
U današnje vrijeme, ako govorimo o opsegu bežičnog prijenosa, točno znači upravo na vrhu punjača. Problem je u tome što je jakost magnetskog polja koje stvara zavojnica u punjaču obrnuto proporcionalna udaljenosti od njega. Zbog toga bežični prijenos radi samo na udaljenosti manjoj od 3-5 centimetara. Kao rješenje za to povećava se veličina jedne od zavojnica ili struja u njoj, ali to znači za jače magnetsko polje koje je potencijalno štetno za ljude oko uređaja. Također, postoje neke zemlje koje imaju zakonska ograničenja snage zračenja. Kao i u Rusiji, gustoća zračenja ne bi trebala prelaziti 10 mikrovata po četvornom centimetru oko ćelijskog tornja.
Prijenos snage kroz zračni medij
Bežični prijenos snage moguć je raznim metodama poput prijenosa energije iz dalekog polja, snopa snage i korištenja dviju antena, od kojih jedna šalje energiju u obliku elektromagnetskih valova drugoj koja daljnje pretvara zračenje u električne struje. Predajna antena ne može se znatno poboljšati, jer u osnovi samo generira valove. Prijemna antena ima mnogo više područja za poboljšanje. Ne apsorbira sve upadno zračenje, ali je zračio dio leđa. Općenito, odziv antene određuju dva ključna parametra: vrijeme raspadanja τF i τw u zračenje slobodnog prostora, odnosno u električni krug. Odnos između ove dvije vrijednosti definira koliki dio energije nosi upadni val "izvlači" prijemna antena.
Slika 2. Prijemna antena. SF označava upadno zračenje, dok je sw− energija koja u konačnici odlazi u električni krug, a sw + pomoćni signal. Zasluge: Alex Krasnok i dr. / Pisma o fizičkom pregledu
Međutim, prijamnik prenosi pomoćni signal natrag na antenu i faza i amplituda signala se podudaraju s onima u padajućem valu, te će dvije interferirati, potencijalno mijenjajući udio ekstrahirane energije. O ovoj se konfiguraciji govori u radu koji je objavljen u ovoj priči, čiji je autor MIPT-ov tim istraživača Denisa Baranova, a na čelu s Andrea Alu.
Iskorištavanje smetnji za pojačavanje valova
Prije provođenja predložene konfiguracije prijenosa snage u eksperimentu, fizičari su teoretski procijenili koja poboljšanja na redovitoj pasivnoj anteni ona može ponuditi. Ispostavilo se da ako je uopće ispunjen uvjet podudaranja konjugata, nema nikakvih poboljšanja: Antena je za početak savršeno podešena. Međutim, za detuniranu antenu čija se vremena raspadanja značajno razlikuju - odnosno kada je τF nekoliko puta veća od τw, ili obrnuto - pomoćni signal ima primjetan učinak. Ovisno o fazi i amplitudi, udio apsorbirane energije može biti nekoliko puta veći u usporedbi s istom detuniranom antenom u pasivnom načinu rada. Zapravo, količina apsorbirane energije može dobiti jednako visoku kao i podešena antena (vidi sliku 3).
Slika 3. Grafikon u točki (a) prikazuje kako razlika između primljene i potrošene snage, poznate kao energetska bilanca Σ, ovisi o snazi pomoćnog signala za detuniranu antenu s τw 10 puta većim od τF. Narančasto zasjenjeno područje pokriva raspon mogućih faznih pomaka između padajućeg vala i signala. Isprekidana crta predstavlja istu ovisnost za antenu čiji su parametri τF i τw jednaki - odnosno podešena antena. Grafikon (b) prikazuje faktor poboljšanja - omjer između maksimalne energetske bilance Σ i energetske bilance pasivne detunirane antene - kao funkciju omjera između vremena raspadanja antene τF / τw. Zasluge: Alex Krasnok i dr. / Pisma o fizičkom pregledu
Da bi potvrdili svoje teorijske izračune, istraživači su numerički modelirali dipolnu antenu dugu 5 centimetara spojenu na izvor napajanja i ozračivali je valovima od 1,36 gigaherca. Za ovu postavku, ovisnost energetske bilance o fazi i amplitudi signala (slika 4) uglavnom se poklapala s teorijskim predviđanjima. Zanimljivo je da je ravnoteža maksimizirana za nulti fazni pomak između signala i upadnog vala. Objašnjenje koje su istraživači ponudili je sljedeće: U prezentaciji pomoćnog signala poboljšava se efektivni otvor antene, tako da ona skuplja više energije širenja u kabel. Ovaj porast otvora vidljiv je iz Poyntingova vektora oko antene, koji pokazuje smjer prijenosa energije elektromagnetskog zračenja (vidi sliku 5).
Slika 4. Rezultati numeričkih proračuna za različite fazne pomake između padajućeg vala i signala (usporedi sliku 3a). Zasluge: Alex Krasnok i dr. / Pisma o fizičkom pregledu
Slika 5. Raspodjela vektora poyntinga oko antene za nulti fazni pomak (lijevo) i fazni pomak od 180 stupnjeva (desno). Zasluge: Alex Krasnok i dr. / Pisma o fizičkom pregledu
Osim numeričkih simulacija, tim je izveo eksperiment s dva koaksijalna adaptera, koja su služila kao mikrovalne antene i bila su pozicionirana 10 centimetara. Jedan od adaptera zračio je valovima snage oko 1 milivat, a drugi ih je pokušao pokupiti i prenijeti energiju u krug preko koaksijalnog kabela. Kad je frekvencija postavljena na 8 gigaherca, adapteri su radili kao podešene antene, prenoseći snagu praktički bez gubitaka (slika 6a). Međutim, na nižim frekvencijama amplituda reflektiranog zračenja naglo se povećala, a adapteri su više funkcionirali poput detuniranih antena (slika 6b). U potonjem su slučaju istraživači uspjeli povećati količinu prenesene energije gotovo deseterostruko uz pomoć pomoćnih signala.
Slika 6. Eksperimentalno izmjerena ovisnost energetske bilance o faznom pomaku i snazi signala za podešenu (a) i detuniranu (b) antenu. Zasluge: Alex Krasnok i dr. / Pisma o fizičkom pregledu
U studenom je tim istraživača, uključujući Denisa Baranova, teoretski pokazao da se prozirni materijal može apsorbirati većinu upadne svjetlosti ako dolazni impuls svjetlosti ima prave parametre (točnije, amplituda mora eksponencijalno rasti). Još 2016. fizičari s MIPT-a, Sveučilišta ITMO i Sveučilišta Texas u Austinu razvili su nano-antene koje rasipaju svjetlost u različitim smjerovima, ovisno o njegovom intenzitetu. Oni se mogu koristiti za stvaranje kanala za brzi prijenos i obradu podataka.
Izvor vijesti: MIPT