Изследователи и учени от Московския физико-технологичен институт и Университета ITMO представят начин за увеличаване на ефективността на безжичния трансфер на енергия на дълги разстояния.
Екип от изследователи от MIPT и ITMO University го тества с числена симулация и експерименти. За да постигнат това, те предават мощност между две антени. В резултат на това един от тях се възбуди с обратен разпространяващ се сигнал със специфична амплитуда и фаза.
"Понятието за кохерентен абсорбер беше представено в статия, публикувана през 2010 г. Авторите показаха, че вълновите смущения могат да се използват за контролиране на поглъщането на светлината и електромагнитното излъчване като цяло", припомня докторантът на MIPT Денис Баранов.
"Решихме да разберем дали други процеси, като разпространението на електромагнитни вълни, могат да бъдат контролирани по същия начин. Избрахме да работим с антена за безжичен трансфер на мощност, тъй като тази система би имала огромна полза от технологията", казва той. "Е, бяхме доста изненадани да разберем, че трансферът на енергия наистина може да бъде подобрен чрез предаване на част от получената мощност от зареждащата батерия обратно към приемащата антена."
Безжичен трансфер на мощност първоначално предложен от Никола Тесла в 19 -ти век. Той използва принципа на електромагнитната индукция, тъй като знаем, че законът на Фарадей казва, че ако в магнитното поле на първата намотка се постави втора намотка, тя индуцира електрически ток във втората намотка, който може да се използва за различното приложение.
Фигура. 1. Пунктирани линии на магнитните полета около две индукционни намотки илюстрират принципа на електромагнитната индукция
В днешно време, ако говорим за обхвата на безжичния трансфер, точно това означава точно в горната част на зарядното устройство. Проблемът е, че силата на магнитното поле, генерирано от намотката в зарядното устройство, е обратно пропорционална на разстоянието от нея. Поради това безжичният трансфер работи само на разстояние по-малко от 3-5 сантиметра. Като решение за това, увеличаване на размера на една от намотките или ток в нея, но това означава за по-силно магнитно поле, което е потенциално вредно за хората около устройството. Също така има някои държави, които имат законови ограничения за мощността на лъчението. Както в Русия, плътността на радиацията не трябва да надвишава 10 микровата на квадратен сантиметър около клетъчната кула.
Предаване на мощност през въздушна среда
Безжичният трансфер на енергия е възможен по различни методи като трансфер на енергия от далечно поле, излъчване на енергия и използване на две антени, едната от които изпраща енергия под формата на електромагнитни вълни към другата, която допълнително преобразува лъчението в електрически ток. Предавателната антена не може да бъде значително подобрена, тъй като всъщност просто генерира вълни. Приемната антена има много повече области за подобрение. Той не поглъща цялата падаща радиация, но излъчва някои от гърбовете. Обикновено реакцията на антената се определя от два ключови параметъра: времето на затихване τF и τw в радиацията на свободното пространство и съответно в електрическата верига. Съотношението между тези две стойности определя колко от енергията се носи от падаща вълна и се „извлича“ от приемащата антена.
Фигура 2. Приемна антена. SF означава падаща радиация, докато sw− е енергията, която в крайна сметка отива в електрическата верига, а sw + е спомагателният сигнал. Кредит: Alex Krasnok et al./ Писма за физически преглед
Приемникът обаче предава спомагателен сигнал обратно към антената и фазата и амплитудата на сигнала съвпадат с тези на падащата вълна, тези два ще се намесят, потенциално променяйки дела на извлечената енергия. Тази конфигурация се обсъжда в статията, публикувана в тази история, която е създадена от екип от изследователи на MIPT на Денис Баранов и ръководена от Андреа Алу.
Използване на смущения за усилване на вълните
Преди да приложат предложената от тях конфигурация за предаване на мощност в експеримент, физиците теоретично прецениха какво подобрение на обикновена пасивна антена може да предложи. Оказа се, че ако условието за съвпадащо съвпадение е изпълнено на първо място, няма никакво подобрение: Антената е идеално настроена за начало. Въпреки това, за разстроена антена, чиито времена на разпадане се различават значително - т.е. когато τF е няколко пъти по-голямо от τw, или обратното - спомагателният сигнал има забележим ефект. В зависимост от нейната фаза и амплитуда, делът на погълнатата енергия може да бъде няколко пъти по-голям в сравнение със същата разстроена антена в пасивния режим. Всъщност количеството на погълнатата енергия може да достигне толкова високо, колкото на настроената антена (виж фигура 3).
Фигура 3. Графиката в (а) показва как разликата между получената и консумираната мощност, известна като енергиен баланс Σ, зависи от мощността на спомагателния сигнал за отслабена антена с τw 10 пъти по-голяма от τF. Оранжево засенчената зона обхваща диапазона от възможни фазови отмествания между падащата вълна и сигнала. Прекъснатата линия представлява същата зависимост за антена, чиито параметри τF и τw са равни - тоест настроена антена. Графика (b) показва коефициента на усилване - съотношението между максималния енергиен баланс Σ и енергийния баланс на пасивна детонирана антена - като функция от съотношението между времената на затихване на антената τF / τw. Кредит: Alex Krasnok et al./ Писма за физически преглед
За да потвърдят своите теоретични изчисления, изследователите моделираха числено 5-сантиметрова диполна антена, свързана към източник на енергия и я облъчиха с вълни от 1,36 гигагерца. За тази настройка зависимостта на енергийния баланс от фазата и амплитудата на сигнала (фигура 4) обикновено съвпада с теоретичните прогнози. Интересното е, че балансът е максимален за нулево фазово изместване между сигнала и падащата вълна. Обяснението, предложено от изследователите, е следното: При представянето на спомагателния сигнал ефективната апертура на антената се подобрява, така че тя събира повече разпространяваща се енергия в кабела. Това увеличение на апертурата е видно от вектора на Пойнтинг около антената, който показва посоката на пренос на енергия от електромагнитното излъчване (виж фигура 5).
Фигура 4. Резултати от числени изчисления за различни фазови отмествания между падащата вълна и сигнала (сравнете фигура 3а). Кредит: Alex Krasnok et al./ Писма за физически преглед
Фигура 5. Разпределение на вектор на Poynting около антената за нулево фазово изместване (вляво) и фазово изместване от 180 градуса (вдясно). Кредит: Alex Krasnok et al./ Писма за физически преглед
В допълнение към числените симулации, екипът извърши експеримент с два коаксиални адаптера, които служеха като микровълнови антени и бяха разположени на 10 сантиметра един от друг. Един от адаптерите излъчва вълни с мощности около 1 миливат, а другият се опитва да ги вземе и предаде енергията във верига чрез коаксиален кабел. Когато честотата беше настроена на 8 гигагерца, адапторите работеха като настроени антени, прехвърляйки мощност на практика без загуби (фигура 6а). При по-ниски честоти обаче амплитудата на отразеното лъчение се увеличи рязко и адапторите функционираха по-скоро като разстроени антени (фигура 6b). В последния случай изследователите успяха да увеличат количеството предадена енергия почти десетократно с помощта на спомагателни сигнали.
Фигура 6. Експериментално измерена зависимост на енергийния баланс от фазово изместване и мощност на сигнала за настроена (а) и отслабена (б) антена. Кредит: Alex Krasnok et al./ Писма за физически преглед
През ноември екип от изследователи, включително Денис Баранов, теоретично демонстрира, че може да се направи прозрачен материал, който да абсорбира повечето падащи светлини, ако входящият импулс на светлината има правилните параметри (по-специално, амплитудата трябва да нараства експоненциално). Още през 2016 г. физици от MIPT, ITMO University и Тексаския университет в Остин разработиха нано-антени, които разсейват светлината в различни посоки в зависимост от нейната интензивност. Те могат да се използват за създаване на свръхбързи канали за предаване и обработка на данни.
Източник на новини: MIPT