Onderzoekers en wetenschappers van het Moscow Institute of Physics and Technology en de ITMO University presenteren een manier om de efficiëntie van draadloze stroomoverdracht over lange afstanden te vergroten.
Een team van onderzoekers van MIPT en ITMO University testte het met numerieke simulatie en experimenten. Om dit te bereiken, zonden ze stroom tussen twee antennes. Als resultaat werd een van hen opgewonden met een terugvoortplantend signaal met een specifieke amplitude en fase.
"Het idee van een coherente absorber werd geïntroduceerd in een paper dat in 2010 werd gepubliceerd. De auteurs toonden aan dat golfinterferentie kan worden gebruikt om de absorptie van licht en elektromagnetische straling in het algemeen te beheersen", herinnert MIPT-promovendus Denis Baranov zich.
"We besloten om uit te zoeken of andere processen, zoals de voortplanting van elektromagnetische golven, op dezelfde manier kunnen worden bestuurd. We kozen ervoor om te werken met een antenne voor draadloze energieoverdracht, omdat dit systeem enorm zou profiteren van de technologie", zegt hij. "Nou, we waren nogal verrast toen we ontdekten dat de vermogensoverdracht inderdaad kan worden verbeterd door een deel van het ontvangen vermogen van de oplaadbatterij terug te sturen naar de ontvangende antenne."
Draadloze energie overdracht oorspronkelijk door Nikola Tesla voorgesteld in 19 e eeuw. Hij gebruikte het principe van elektromagnetische inductie, zoals we weten, zegt de wet van Faraday dat als een tweede spoel in het magnetische veld van de eerste spoel wordt geplaatst, deze een elektrische stroom induceert in de tweede spoel, die kan worden gebruikt voor de verschillende toepassingen.
Figuur. 1. Onderbroken lijnen van de magnetische velden rond twee inductiespoelen illustreren het principe van elektromagnetische inductie
Tegenwoordig, als we het hebben over het bereik van draadloze overdracht, betekent dit precies bovenaan de oplader. Het probleem is dat de sterkte van het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de spoel in de oplader omgekeerd evenredig is met de afstand ervan. Hierdoor werkt de draadloze overdracht alleen op een afstand van minder dan 3-5 centimeter. Als een oplossing hiervoor, het vergroten van de grootte van een van de spoelen of stroom erin, maar dit betekent voor een sterker magnetisch veld dat mogelijk schadelijk is voor mensen rondom het apparaat. Er zijn ook enkele landen die wettelijke limieten hebben voor stralingsvermogen. Net als in Rusland mag de stralingsdichtheid rond de zendmast niet hoger zijn dan 10 microwatt per vierkante centimeter.
Krachtoverdracht via een luchtmedium
Draadloze vermogensoverdracht is mogelijk door verschillende methoden, zoals verre-veld-energieoverdracht, krachtstralen en het gebruik van twee antennes, waarvan de ene energie in de vorm van elektromagnetische golven naar de andere zendt, die straling verder omzet in elektrische stromen. De zendantenne kan niet veel worden verbeterd, omdat deze in feite alleen maar golven genereert. De ontvangende antenne heeft veel meer verbeterpunten. Het absorbeert niet alle invallende straling, maar straalt een deel ervan uit. Over het algemeen wordt de respons van de antenne bepaald door twee sleutelparameters: de vervaltijd τF en τw respectievelijk naar straling in de vrije ruimte en naar het elektrische circuit. De verhouding tussen deze twee waarden bepaalt hoeveel van de energie wordt gedragen door een invallende golf en wordt “onttrokken” door de ontvangende antenne.
Figuur 2. Ontvangende antenne. SF staat voor invallende straling, terwijl sw− de energie is die uiteindelijk in het elektrische circuit gaat en sw + het hulpsignaal is. Krediet: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
De ontvanger zendt echter een hulpsignaal terug naar de antenne en de fase en amplitude van het signaal komen overeen met die van de invallende golf, deze twee zullen interfereren, waardoor het aandeel van de onttrokken energie mogelijk verandert. Deze configuratie wordt besproken in het artikel dat in dit verhaal wordt gerapporteerd, dat is geschreven door een MIPT-team van onderzoekers van Denis Baranov en geleid door Andrea Alu.
Interferentie benutten om golven te versterken
Voordat ze hun voorgestelde configuratie voor krachtoverbrenging in een experiment implementeerden, schatten de natuurkundigen theoretisch in welke verbetering het zou kunnen bieden ten opzichte van een gewone passieve antenne. Het bleek dat als in de eerste plaats aan de geconjugeerde matching-voorwaarde is voldaan, er geen enkele verbetering is: de antenne is om te beginnen perfect afgestemd. Bij een ontstemde antenne waarvan de vervaltijden aanzienlijk verschillen - dat wil zeggen als τF meerdere keren groter is dan τw, of andersom - heeft het hulpsignaal een merkbaar effect. Afhankelijk van de fase en amplitude kan het aandeel geabsorbeerde energie meerdere keren groter zijn in vergelijking met dezelfde ontstemde antenne in de passieve modus. In feite kan de hoeveelheid geabsorbeerde energie zo hoog worden als die van een afgestemde antenne (zie figuur 3).
Figuur 3. De grafiek in (a) laat zien hoe het verschil tussen ontvangen en opgenomen vermogen, bekend als de energiebalans Σ, afhangt van het hulpsignaalvermogen voor een ontstemde antenne met τw 10 keer groter dan τF. Het oranje gearceerde gebied beslaat het bereik van mogelijke faseverschuivingen tussen de invallende golf en het signaal. De stippellijn vertegenwoordigt dezelfde afhankelijkheid voor een antenne waarvan de τF- en τw-parameters gelijk zijn - dat wil zeggen een afgestemde antenne. Grafiek (b) toont de versterkingsfactor - de verhouding tussen de maximale energiebalans Σ en de energiebalans van een passieve ontstemde antenne - als functie van de verhouding tussen antennevervaltijden τF / τw. Krediet: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Om hun theoretische berekeningen te bevestigen, modelleerden de onderzoekers numeriek een 5 centimeter lange dipoolantenne die was aangesloten op een stroombron en bestraalden deze met golven van 1,36 gigahertz. Voor deze opstelling viel de afhankelijkheid van energiebalans van signaalfase en amplitude (figuur 4) over het algemeen samen met de theoretische voorspellingen. Interessant genoeg werd de balans gemaximaliseerd voor een nul-faseverschuiving tussen het signaal en de invallende golf. De verklaring die de onderzoekers bieden is deze: in de aanwezigheid van het hulpsignaal wordt de effectieve opening van de antenne vergroot, zodat deze meer voortplantende energie in de kabel opvangt. Deze vergroting van het diafragma blijkt uit de Poynting-vector rond de antenne, die de richting aangeeft van de energieoverdracht van elektromagnetische straling (zie figuur 5).
Figuur 4. Resultaten van numerieke berekeningen voor verschillende faseverschuivingen tussen de invallende golf en het signaal (vergelijk figuur 3a). Krediet: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figuur 5. Poynting vectorverdeling rond de antenne voor een faseverschuiving van nul (links) en een faseverschuiving van 180 graden (rechts). Krediet: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Naast numerieke simulaties voerde het team een experiment uit met twee coaxiale adapters, die dienden als microgolfantennes en 10 centimeter uit elkaar waren geplaatst. Een van de adapters straalde golven uit met vermogens van ongeveer 1 milliwatt, en de andere probeerde ze op te vangen en de energie via een coaxkabel in een circuit te sturen. Als de frequentie was ingesteld op 8 gigahertz, werkten de adapters als afgestemde antennes, waardoor vermogen vrijwel zonder verlies werd overgedragen (figuur 6a). Bij lagere frequenties nam de amplitude van de gereflecteerde straling echter sterk toe en werkten de adapters meer als ontstemde antennes (figuur 6b). In het laatste geval wisten de onderzoekers met behulp van hulpsignalen de hoeveelheid uitgezonden energie bijna te vertienvoudigen.
Figuur 6. Experimenteel gemeten energiebalans afhankelijkheid van faseverschuiving en signaalvermogen voor een afgestemde (a) en ontstemde (b) antenne. Krediet: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
In november heeft een team van onderzoekers, waaronder Denis Baranov, theoretisch aangetoond dat een transparant materiaal kan worden gemaakt om het meeste invallende licht te absorberen, als de binnenkomende lichtpuls de juiste parameters heeft (met name de amplitude moet exponentieel groeien). In 2016 ontwikkelden natuurkundigen van MIPT, ITMO University en de Universiteit van Texas in Austin nano-antennes die licht in verschillende richtingen verstrooien, afhankelijk van de intensiteit. Deze kunnen worden gebruikt om ultrasnelle datatransmissie- en verwerkingskanalen te creëren.
Nieuwsbron: MIPT