Ett internationellt forskarlag med forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik och ITMO-universitetet har föreslagit ett sätt att öka effektiviteten för trådlös kraftöverföring över långa avstånd och testat det med numeriska simuleringar och experiment. För att uppnå detta, de strålade kraft mellan två antenner, varav en exciterades med en bakåt-propagerande signal med specifik amplitud och fas. Studien beskrivs i en artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev och kortfattat rapporterad i tidskriften American Physical Society Fysik .

"Föreställningen om en koherent absorbator introducerades i en artikel publicerad redan 2010. Författarna visade att våginterferens kan användas för att kontrollera absorptionen av ljus och elektromagnetisk strålning i allmänhet, " säger MIPT-doktoranden Denis Baranov.

"Vi bestämde oss för att ta reda på om andra processer, såsom elektromagnetisk vågutbredning, kan styras på samma sätt. Vi valde att arbeta med en antenn för trådlös kraftöverföring, eftersom detta system skulle dra stor nytta av tekniken, säger han. Tja, vi blev ganska förvånade när vi fick reda på att kraftöverföring kan, verkligen, förbättras genom att sända en del av den mottagna strömmen från laddningsbatteriet tillbaka till mottagningsantennen."

Spolar och transformatorer

Trådlös kraftöverföring föreslogs ursprungligen av Nikola Tesla i slutet av 1800-talet. Han lyckades tända lysrör och glödlampor på avstånd utan några ledningar som kopplade lamporna till en generator. För att genomföra denna bedrift, han använde principen för elektromagnetisk induktion:När en växelström passerar genom en spole – dvs. en ledare lindad i en spiral kring en cylinderformad kärna — detta ger upphov till ett växelmagnetiskt fält både inuti och utanför spolen. Faradays lag säger att om en andra spole placeras i detta magnetfält (figur 1), en elektrisk ström induceras i denna andra spole, som sedan kan användas för att ladda en ackumulator eller något annat ändamål.

Det kanske inte är självklart, men trådlös kraftöverföring används redan i stor utsträckning. Till exempel, oanslutna induktionsspolar är hjärtat av transformatorer i tv-apparater, smartphones, energisnåla lampor, kraftledningar, etc. Genom att öka eller minska växelspänningen i elnätet och enskilda enheter, transformatorer möjliggör effektiv kraftöverföring och drift av hemelektronik. Förutom det, en teknik som är analog med den som Tesla föreslagit har nyligen implementerats i trådlösa laddningsplattor för telefoner och elbilar. Induktiv laddning börjar fungera i samma ögonblick som en elbil eller en telefon som stödjer tekniken kommer inom räckhåll.

Från och med idag, dock, "inom räckhåll" betyder precis ovanpå laddaren, och det är en av de största bristerna med den för närvarande tillgängliga tekniken. Problemet är att styrkan på magnetfältet som genereras av spolen i laddaren är omvänt proportionell mot avståndet från den - det vill säga, fältet bleknar snabbt med avståndet. Så den andra spolen, som är inbyggd i enheten, måste vara ganska nära för att en märkbar ström ska induceras. Det är därför magnetiska kärnor används för att begränsa och styra magnetfält i transformatorer. Och det är också därför trådlösa laddare fungerar över avstånd mindre än 3-5 centimeter. Det intervallet kan självklart, förbättras genom att öka storleken på en av spolarna eller strömmen i den, men det skulle innebära starkare magnetfält som kan vara skadliga för människor runt enheterna. I de flesta länder, det finns en laglig gräns för strålningseffekt. Till exempel, i Ryssland, strålningsdensiteten runt celltorn får inte överstiga 10 mikrowatt per kvadratcentimeter.

Sänder kraft över luften

Det finns andra sätt att överföra kraft utan ledningar som fungerar över längre avstånd. Dessa tekniker, känd som fjärrfältsenergiöverföring, eller kraftstrålning, använd två antenner, varav den ena skickar energi i form av elektromagnetiska vågor till den andra, som sedan omvandlar strålning till elektriska strömmar. Sändningsantennen kan inte förbättras väsentligt, eftersom det i princip bara genererar vågor. Mottagningsantennen, däremot, har mycket mer utrymme för förbättringar.

Viktigt, den mottagande antennen absorberar inte all infallande strålning utan återstrålar tillbaka en del av den. Generellt, antennsvaret bestäms av två nyckelparametrar:avklingstiderna τF och τw till strålning från fritt utrymme och in i den elektriska kretsen, respektive. Dessa avklingningstider indikerar hur lång tid det tar för en vågs amplitud att minska med en viss faktor - vanligtvis används e-talet. Förhållandet mellan dessa två värden bestämmer hur mycket av energin som bärs av en infallande våg som "extraheras" av den mottagande antennen. När de två sönderfallstiderna är lika utvinns en maximal mängd energi. Om τF är mindre än τw, återstrålningen börjar för tidigt. Omvänt, om τF är större än τw, antennen är för långsam för att absorbera den infallande strålningen. När de två tiderna är lika, ingenjörer säger att konjugatmatchningsvillkoret har uppfyllts. Med andra ord, antennen är avstämd. Även om antenner tillverkas med det villkoret i åtanke, att uppnå absolut precision är ganska svårt. Vidare, även en perfekt antenn kan lätt ställas av på grund av en temperaturförändring, signalreflektioner från terrängen, och andra yttre faktorer. Till sist, mängden absorberad energi beror också på strålningsfrekvensen och är maximerad för vågor vars frekvenser matchar antennens resonansfrekvens.

Viktigt, ovanstående gäller endast för en passiv antenn. Om, dock, mottagaren sänder en hjälpsignal tillbaka till antennen och signalens amplitud och fas matchar den infallande vågens, de två kommer att störa, potentiellt förändra andelen utvunnen energi. Denna konfiguration diskuteras i tidningen som rapporteras i denna berättelse, som författades av ett team av forskare med MIPT:s Denis Baranov och leddes av Andrea Alù.

Utnyttjar störningar för att förstärka vågor

Innan de implementerar deras föreslagna kraftöverföringskonfiguration i ett experiment, fysikerna uppskattade teoretiskt vilken förbättring av en vanlig passiv antenn den kunde erbjuda. Det visade sig att om konjugatmatchningsvillkoret är uppfyllt i första hand, det finns ingen som helst förbättring:Antennen är perfekt inställd till att börja med. Dock, för en avstämd antenn vars avklingningstider skiljer sig avsevärt – dvs. när τF är flera gånger större än τw, eller tvärtom – hjälpsignalen har en märkbar effekt. Beroende på dess fas och amplitud, andelen absorberad energi kan vara flera gånger större jämfört med samma avstämda antenn i passivt läge. Faktiskt, mängden absorberad energi kan bli lika hög som för en avstämd antenn.

För att bekräfta deras teoretiska beräkningar, forskarna modellerade numeriskt en 5-centimeter lång dipolantenn ansluten till en strömkälla och bestrålade den med 1,36-gigahertz-vågor. För denna inställning, energibalansens beroende av signalfas och amplitud sammanföll i allmänhet med de teoretiska förutsägelserna. Intressant, balansen maximerades för en nollfasförskjutning mellan signalen och den infallande vågen. Forskarnas förklaring är denna:I närvaro av hjälpsignalen, antennens effektiva bländare förbättras, så den samlar in mer fortplantningsenergi i kabeln. Denna ökning i bländare är uppenbar från Poynting-vektorn runt antennen, som anger riktningen för elektromagnetisk strålningsenergiöverföring.

Förutom numeriska simuleringar, teamet utförde ett experiment med två koaxialadaptrar, som fungerade som mikrovågsantenner och var placerade 10 centimeter från varandra. En av adaptrarna utstrålade vågor med effekter runt 1 milliwatt, och den andra försökte plocka upp dem och överföra energin till en krets genom en koaxialkabel. När frekvensen var inställd på 8 gigahertz, adaptrarna fungerade som inställda antenner, överföra kraft med praktiskt taget inga förluster. Vid lägre frekvenser, dock, amplituden av reflekterad strålning ökade kraftigt, och adaptrarna fungerade mer som avstämda antenner. I det senare fallet, forskarna lyckades öka mängden överförd energi nästan tiofaldigt med hjälp av hjälpsignaler.

I november, ett team av forskare inklusive Denis Baranov demonstrerade teoretiskt att ett transparent material kan göras för att absorbera det mesta av infallande ljus, om den inkommande ljuspulsen har rätt parametrar (speciellt, amplituden måste växa exponentiellt). Tillbaka 2016, fysiker från MIPT, ITMO University, och University of Texas i Austin utvecklade nanoantenner som sprider ljus i olika riktningar beroende på dess intensitet. Dessa kan användas för att skapa ultrasnabba dataöverförings- och bearbetningskanaler.