Uma equipe de pesquisa internacional, incluindo cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e da Universidade ITMO, propôs uma maneira de aumentar a eficiência da transferência de energia sem fio em longas distâncias e a testou com simulações numéricas e experimentos. Para alcançar isto, eles transmitiram energia entre duas antenas, um dos quais foi excitado com um sinal de retropropagação de amplitude e fase específicas. O estudo é detalhado em artigo publicado em Cartas de revisão física e brevemente relatado no jornal American Physical Society Física .

“A noção de um absorvedor coerente foi introduzida em um artigo publicado em 2010. Os autores mostraram que a interferência das ondas pode ser usada para controlar a absorção da luz e da radiação eletromagnética em geral, "diz o doutorando do MIPT Denis Baranov.

“Decidimos descobrir se outros processos, como a propagação de ondas eletromagnéticas, pode ser controlado da mesma maneira. Escolhemos trabalhar com uma antena para transferência de energia sem fio, porque este sistema se beneficiaria enormemente com a tecnologia, "ele diz." Bem, ficamos muito surpresos ao descobrir que a transferência de energia pode, na verdade, ser aprimorado pela transmissão de uma parte da energia recebida da bateria em carregamento de volta para a antena receptora. "

Bobinas e transformadores

A transferência de energia sem fio foi originalmente proposta por Nikola Tesla no final do século XIX. Ele conseguiu acender lâmpadas fluorescentes e incandescentes à distância sem nenhum fio conectando as lâmpadas a um gerador. Para realizar esta façanha, ele usou o princípio da indução eletromagnética:quando uma corrente alternada passa por uma bobina, isto é, um condutor enrolado em uma espiral ao redor de um núcleo em forma de cilindro - isso dá origem a um campo magnético alternado tanto dentro quanto fora da bobina. A lei de Faraday diz que se uma segunda bobina for colocada neste campo magnético (figura 1), uma corrente elétrica é induzida nesta outra bobina, que pode então ser usado para carregar um acumulador ou alguma outra finalidade.

Pode não ser óbvio, mas a transferência de energia sem fio já é amplamente usada. Por exemplo, bobinas de indução desconectadas estão no coração dos transformadores em aparelhos de televisão, smartphones, lâmpadas economizadoras de energia, linhas de energia, etc. Ao aumentar ou diminuir a tensão alternada na rede elétrica e dispositivos individuais, os transformadores permitem a transmissão de energia eficiente e a operação de eletrônicos de consumo. Além disso, uma tecnologia análoga à proposta pela Tesla foi recentemente implementada em blocos de carregamento sem fio para telefones e carros elétricos. O carregamento indutivo começa a funcionar no momento em que um carro elétrico ou um telefone compatível com a tecnologia entra em alcance.

A partir de hoje, Contudo, "dentro do alcance" significa bem em cima do carregador, e essa é uma das principais deficiências da tecnologia disponível atualmente. O problema é que a força do campo magnético gerado pela bobina no carregador é inversamente proporcional à distância dela, ou seja, o campo desaparece rapidamente com a distância. Então, a segunda bobina, que está embutido no dispositivo, tem que estar bastante próximo para que uma corrente perceptível seja induzida. É por isso que núcleos magnéticos são usados ​​para confinar e guiar campos magnéticos em transformadores. E é também por isso que os carregadores sem fio operam em distâncias menores que 3 a 5 centímetros. Esse intervalo poderia, claro, ser reforçada aumentando o tamanho de uma das bobinas ou da corrente nela, mas isso significaria campos magnéticos mais fortes potencialmente prejudiciais aos humanos em torno dos dispositivos. Em muitos países, há um limite legal para a potência de radiação. Por exemplo, na Rússia, a densidade da radiação em torno das torres de celular não pode exceder 10 microwatts por centímetro quadrado.

Transmitindo poder pelo ar

Existem outras maneiras de transmitir energia sem fios que funcionam em distâncias mais longas. Essas técnicas, conhecido como transferência de energia de campo distante, ou transmissão de energia, usar duas antenas, um dos quais envia energia na forma de ondas eletromagnéticas para o outro, que então converte a radiação em correntes elétricas. A antena de transmissão não pode ser substancialmente melhorada, porque basicamente apenas gera ondas. A antena receptora, por contraste, tem muito mais espaço para melhorias.

Mais importante, a antena receptora não absorve toda a radiação incidente, mas irradia parte dela de volta. De um modo geral, a resposta da antena é determinada por dois parâmetros principais:os tempos de decaimento τF e τw na radiação do espaço livre e no circuito elétrico, respectivamente. Esses tempos de decaimento indicam quanto tempo leva para a amplitude de uma onda ser diminuída por um certo fator - geralmente o número e é usado. A razão entre esses dois valores determina quanto da energia transportada por uma onda incidente é "extraída" pela antena receptora. Quando os dois tempos de decaimento são iguais, uma quantidade máxima de energia é extraída. Se τF for menor que τw, a re-radiação começa muito cedo. Por outro lado, se τF é maior que τw, a antena é muito lenta para absorver a radiação incidente. Quando os dois tempos são iguais, engenheiros dizem que a condição de combinação do conjugado foi atendida. Em outras palavras, a antena está sintonizada. Embora as antenas sejam fabricadas com essa condição em mente, alcançar a precisão absoluta é bastante difícil. Além disso, até mesmo uma antena perfeita pode ser facilmente desafinada devido a uma mudança na temperatura, sinalizar reflexos do terreno, e outros fatores externos. Finalmente, a quantidade de energia absorvida também depende da frequência de radiação e é maximizada para ondas cujas frequências correspondem à frequência de ressonância da antena.

Mais importante, o acima só é verdadeiro para uma antena passiva. Se, Contudo, o receptor transmite um sinal auxiliar de volta para a antena e a amplitude e fase do sinal correspondem às da onda incidente, os dois vão interferir, potencialmente alterando a proporção de energia extraída. Esta configuração é discutida no artigo relatado nesta história, que foi escrito por uma equipe de pesquisadores com Denis Baranov do MIPT e liderado por Andrea Alù.

Explorando a interferência para amplificar as ondas

Antes de implementar a configuração de transmissão de energia proposta em um experimento, os físicos estimaram teoricamente quais melhorias em uma antena passiva regular ela poderia oferecer. Descobriu-se que, se a condição de correspondência conjugada for atendida em primeiro lugar, não há nenhuma melhoria:a antena está perfeitamente sintonizada para começar. Contudo, para uma antena desafinada cujos tempos de decaimento diferem significativamente, isto é, quando τF é várias vezes maior que τw, ou o contrário - o sinal auxiliar tem um efeito perceptível. Dependendo de sua fase e amplitude, a proporção de energia absorvida pode ser várias vezes maior em comparação com a mesma antena desafinada no modo passivo. Na verdade, a quantidade de energia absorvida pode ser tão alta quanto a de uma antena sintonizada.

Para confirmar seus cálculos teóricos, os pesquisadores modelaram numericamente uma antena dipolo de 5 centímetros de comprimento conectada a uma fonte de energia e a irradiaram com ondas de 1,36 gigahertz. Para esta configuração, a dependência do balanço de energia na fase e amplitude do sinal geralmente coincidiu com as previsões teóricas. Interessantemente, o equilíbrio foi maximizado para uma mudança de fase zero entre o sinal e a onda incidente. A explicação oferecida pelos pesquisadores é a seguinte:Na presença do sinal auxiliar, a abertura efetiva da antena é aumentada, assim, ele coleta mais energia de propagação para o cabo. Este aumento na abertura é evidente a partir do vetor de Poynting ao redor da antena, que indica a direção da transferência de energia da radiação eletromagnética.

Além de simulações numéricas, a equipe realizou um experimento com dois adaptadores coaxiais, que serviam como antenas de micro-ondas e estavam posicionadas a 10 centímetros de distância. Um dos adaptadores irradiava ondas com potências em torno de 1 miliwatt, e o outro tentou captá-los e transmitir a energia para um circuito por meio de um cabo coaxial. Quando a frequência foi definida para 8 gigahertz, os adaptadores operavam como antenas sintonizadas, transferindo energia praticamente sem perdas. Em frequências mais baixas, Contudo, a amplitude da radiação refletida aumentou acentuadamente, e os adaptadores funcionavam mais como antenas desafinadas. No último caso, os pesquisadores conseguiram aumentar a quantidade de energia transmitida quase dez vezes com a ajuda de sinais auxiliares.

Em novembro, uma equipe de pesquisadores, incluindo Denis Baranov, teoricamente demonstrou que um material transparente pode ser feito para absorver a maior parte da luz incidente, se o pulso de luz de entrada tem os parâmetros corretos (especificamente, a amplitude tem que crescer exponencialmente). Em 2016, físicos do MIPT, ITMO University, e a Universidade do Texas em Austin desenvolveu nanoantenas que espalham a luz em diferentes direções dependendo de sua intensidade. Eles podem ser usados ​​para criar canais de processamento e transmissão de dados ultrarrápidos.