חוקרים ומדענים מהמכון לפיזיקה וטכנולוגיה במוסקבה ומאוניברסיטת ITMO מציגים דרך להגביר את היעילות של העברת כוח אלחוטי למרחקים ארוכים.
צוות חוקרים מאוניברסיטת MIPT ואוניברסיטת ITMO בדק זאת בעזרת סימולציה וניסויים מספריים. לשם השגת זה הם העבירו כוח בין שתי אנטנות. כתוצאה מכך, אחד מהם התרגש עם אות התפשטות גב של משרעת ושלב ספציפיים.
"הרעיון של בולם קוהרנטי הוצג במאמר שפורסם עוד בשנת 2010. המחברים הראו כי ניתן להשתמש בהפרעות גלים כדי לשלוט בספיגת האור והקרינה האלקטרומגנטית באופן כללי", נזכר דוקטורנט ה- MIPT, דניס ברנוב.
"החלטנו לברר אם ניתן לשלוט באותה צורה על תהליכים אחרים, כמו התפשטות גלים אלקטרומגנטיים. בחרנו לעבוד עם אנטנה להעברת כוח אלחוטי, מכיוון שמערכת זו תפיק תועלת רבה מהטכנולוגיה", הוא אומר. "ובכן, די הופתענו לגלות כי אכן ניתן לשפר את העברת הכוח על ידי העברת חלק מהספק שהתקבל מהסוללה הטוענת בחזרה לאנטנה המקבלת."
העברת חשמל אלחוטית שהוצעה במקור על ידי ניקולה טסלה במאה ה -19. הוא השתמש בעקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, כידוע החוק של פאראדיי אומר שאם סליל שני ממוקם בשדה המגנטי של הסליל הראשון, הוא מביא זרם חשמלי בסליל השני, שניתן להשתמש בו ליישום השונה.
דמות. 1. קווים מקווקווים של השדות המגנטיים סביב שני סלילי אינדוקציה ממחישים את עיקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית
כיום, אם אנו מדברים על טווח ההעברה האלחוטית, פירושו בדיוק בחלקו העליון של המטען. הבעיה היא שעוצמת השדה המגנטי שנוצר על ידי הסליל במטען הוא ביחס הפוך למרחק ממנו. מסיבה זו, ההעברה האלחוטית פועלת רק במרחק של פחות מ 3-5 סנטימטרים. כפתרון לכך, הגדלת גודל אחד הסלילים או הזרם בו, אך המשמעות היא שדה מגנטי חזק יותר שעלול להזיק לבני אדם סביב המכשיר. כמו כן, יש כמה מדינות שיש להן מגבלות חוקיות על כוח הקרינה. כמו ברוסיה, צפיפות הקרינה לא תעלה על 10 מיקרו-וואט לסנטימטר מרובע סביב מגדל התא.
העבר כוח באמצעות מדיום אוויר
העברת כוח אלחוטית אפשרית בשיטות שונות כמו העברת אנרגיה מרחוק, קרן כוח ושימוש בשתי אנטנות, אחת מהן שולחת אנרגיה בצורת גלים אלקטרומגנטיים לשנייה אשר ממירה עוד יותר את הקרינה לזרמים חשמליים. לא ניתן לשפר מאוד את האנטנה המשדרת מכיוון שהיא בעצם מייצרת גלים. לאנטנה המקבלת יש הרבה יותר אזורים לשיפור. הוא אינו סופג את כל קרינת האירוע אך הקרין חלק ממנו בגב. באופן כללי, תגובת האנטנה נקבעת על ידי שני פרמטרים עיקריים: זמן הדעיכה τF ו- τw לקרינת שטח פנוי ולמעגל החשמלי בהתאמה. היחס בין שני ערכים אלה מגדיר כמה מהאנרגיה המובלת על ידי גל אירוע "מופק" על ידי האנטנה המקבלת.
איור 2. אנטנה מקבלת. SF מציין קרינת אירוע, ואילו sw- היא האנרגיה שנכנסת בסופו של דבר למעגל החשמלי ו- sw + הוא האות העזר. קרדיט: אלכס קרסנוק ואח '/ מכתבי ביקורת פיזיים
עם זאת, המקלט משדר אות עזר בחזרה לאנטנה ולשלב ומשרעת האות תואמים את אלה של גל האירוע, שני אלה יפריעו, דבר שעלול לשנות את שיעור האנרגיה המופקת. תצורה זו נדונה בעיתון שדיווח בסיפור זה, שחיבר צוות החוקרים של MIPT של דניס ברנוב והובל על ידי אנדראה אלו.
ניצול הפרעות להגברת גלים
לפני שיישמו את תצורת העברת הכוח המוצעת בניסוי, פיזיקאים העריכו תיאורטית איזה שיפור באנטנה פסיבית רגילה היא יכולה להציע. התברר שאם מלכתחילה מתקיים תנאי ההתאמה המצומדים, אין שיפור כלשהו: האנטנה מכוונת לחלוטין מלכתחילה. עם זאת, עבור אנטנה מזועזעת שזמן ההתפוררות שלה שונה באופן משמעותי - כלומר כאשר τF גדול פי כמה מ- τw, או להיפך - לאות העזר יש השפעה ניכרת. בהתאם לשלב ולמשרעתה, שיעור האנרגיה הנספגת יכול להיות גדול פי כמה בהשוואה לאותה אנטנה מנותקת במצב פסיבי. למעשה, כמות האנרגיה הנספגת יכולה להגיע לגובה של אנטנה מכוונת (ראה איור 3).
איור 3. הגרף ב- (א) מראה כיצד ההבדל בין הספק המתקבל והנצרך, המכונה מאזן האנרגיה Σ תלוי בעוצמת האות העזר לאנטנה מנותקת שגובהה τw גדול פי τF. האזור המוצלל בכתום מכסה את טווח העברות הפאזות האפשריות בין גל האירוע לאות. הקו המקווקו מייצג את אותה תלות עבור אנטנה שפרמטריה τF ו- τw שווים - כלומר אנטנה מכוונת. גרף (ב) מראה את גורם השיפור - היחס בין מאזן האנרגיה המרבי Σ לבין מאזן האנרגיה של אנטנה מפסיקה פסיבית - כפונקציה של היחס בין זמני ריקבון האנטנה τF / τw. קרדיט: אלכס קרסנוק ואח '/ מכתבי ביקורת פיזיים
כדי לאשר את חישוביהם התיאורטיים, החוקרים עיצבו באופן מספרי אנטנה דיפול באורך 5 ס"מ המחוברת למקור חשמל והקרינו אותה בגלי 1.36 גיגה הרץ. לצורך הגדרה זו, התלות של איזון האנרגיה בשלב האות ובמשרעת (איור 4) חפפה בדרך כלל עם התחזיות התיאורטיות. באופן מעניין, האיזון הוגדל עבור מעבר אפס של שלב בין האות לגל האירוע. ההסבר שמציעים החוקרים הוא זה: בהווה של אות העזר, מתגבר הצמצם היעיל של האנטנה, כך שהוא אוסף יותר אנרגיה מתפשטת לכבל. עלייה זו בצמצם ניכרת מווקטור פוינטינג סביב האנטנה, המציין את כיוון העברת אנרגיית הקרינה האלקטרומגנטית (ראה איור 5).
איור 4. תוצאות חישובים מספריים לתזוזות פאזה שונות בין גל האירוע לאות (השווה איור 3 א). קרדיט: אלכס קרסנוק ואח '/ מכתבי ביקורת פיזיים
איור 5. חלוקת וקטור מתבצעת סביב האנטנה להעברת פאזה אפסית (שמאלה) והעברת פאזה של 180 מעלות (מימין). קרדיט: אלכס קרסנוק ואח '/ מכתבי ביקורת פיזיים
בנוסף לסימולציות מספריות, הצוות ביצע ניסוי בשני מתאמים קואקסיאליים, ששימשו כאנטנות מיקרוגל והוצבו במרחק של 10 ס"מ זה מזה. אחד המתאמים הקרין גלים בעוצמות סביב מילוואט 1, והשני ניסה להרים אותם ולהעביר את האנרגיה למעגל באמצעות כבל קואקסיאלי. כאשר התדר הוגדר ל- 8 גיגה הרץ, המתאמים פעלו כאנטנות מכוונות והעבירו כוח כמעט ללא הפסדים (איור 6 א). בתדרים נמוכים יותר, לעומת זאת, משרעת הקרינה המשתקפת גדלה בחדות, והמתאמים תפקדו יותר כמו אנטנות מנותקות (איור 6 ב). במקרה האחרון הצליחו החוקרים להגביר את כמות האנרגיה המועברת כמעט פי עשרה בעזרת אותות עזר.
איור 6. תלות במאזן האנרגיה שנמדד באופן ניסיוני בתזוזת פאזה ובעוצמת האות לאנטנה מכוונת (a) ומופעלת (b). קרדיט: אלכס קרסנוק ואח '/ מכתבי ביקורת פיזיים
בנובמבר, צוות חוקרים, כולל דניס ברנוב, הוכיח באופן תיאורטי כי ניתן לגרום לחומר שקוף לספוג את מרבית האור הנפל, אם לדופק האור הנכנס יש את הפרמטרים הנכונים (באופן ספציפי, המשרעת צריכה לגדול באופן אקספוננציאלי). עוד בשנת 2016 פיתחו פיזיקאים מאוניברסיטת MIPT, אוניברסיטת ITMO ואוניברסיטת טקסס באוסטין אנטנות ננו המפזרות אור לכיוונים שונים בהתאם לעוצמתו. אלה עשויים לשמש ליצירת ערוצי העברת נתונים ועיבוד מהירים במיוחד.
מקור חדשות: MIPT