Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü ve ITMO Üniversitesi'nden araştırmacılar ve bilim adamları, uzun mesafelerde kablosuz güç aktarımının verimliliğini artırmanın bir yolunu sunuyor.
MIPT ve ITMO Üniversitesi'nden araştırmacılar ekibi, bunu sayısal simülasyon ve deneylerle test etti. Bunu başarmak için gücü iki anten arasında ilettiler. Sonuç olarak, bunlardan biri, belirli genlik ve faza sahip geri yayılan bir sinyalle heyecanlandı.
MIPT doktora öğrencisi Denis Baranov, "Tutarlı bir soğurucu kavramı, 2010 yılında yayınlanan bir makalede tanıtıldı. Yazarlar, dalga girişiminin genel olarak ışık ve elektromanyetik radyasyon emilimini kontrol etmek için kullanılabileceğini gösterdi" diye hatırlıyor.
"Elektromanyetik dalga yayılımı gibi diğer süreçlerin de aynı şekilde kontrol edilip edilemeyeceğini bulmaya karar verdik. Kablosuz güç aktarımı için bir antenle çalışmayı seçtik, çünkü bu sistem teknolojiden büyük ölçüde faydalanacaktır" diyor. "Güç aktarımının, alınan gücün bir kısmını şarj edilen bataryadan alıcı antene geri göndererek gerçekten geliştirilebileceğini öğrendiğimizde oldukça şaşırdık."
İlk olarak 19. yüzyılda Nikola Tesla tarafından önerilen kablosuz güç aktarımı. Faraday yasasının, birinci bobinin manyetik alanına ikinci bir bobin yerleştirilirse, ikinci bobinde çeşitli uygulamalar için kullanılabilecek bir elektrik akımı indüklediğini bildiğimiz için elektromanyetik indüksiyon prensibini kullandı.
Şekil. 1. İki indüksiyon bobini etrafındaki manyetik alanların kesikli çizgileri elektromanyetik indüksiyon prensibini gösterir.
Bugünlerde, kablosuz aktarım menzilinden bahsedersek, tam olarak şarj cihazının üstünde anlamına gelir. Sorun, şarj cihazındaki bobin tarafından üretilen manyetik alanın gücünün, mesafeyle ters orantılı olmasıdır. Bu nedenle, kablosuz aktarım yalnızca 3-5 santimetreden daha kısa mesafelerde çalışır. Buna bir çözüm olarak, bobinlerden birinin boyutunu veya içindeki akımı artırmak, ancak bu, cihazın etrafındaki insanlara potansiyel olarak zararlı olan daha güçlü bir manyetik alan anlamına gelir. Ayrıca, radyasyon gücü konusunda yasal sınırları olan bazı ülkeler vardır. Rusya'da olduğu gibi, radyasyon yoğunluğu hücre kulesi etrafında santimetre kare başına 10 mikrowatt'ı geçmemelidir.
Hava ortamı yoluyla Güç Aktarımı
Kablosuz Güç Transferi, uzak alan enerji transferi, güç ışınlaması gibi çeşitli yöntemlerle mümkündür ve biri elektromanyetik dalgalar şeklinde enerjiyi diğerine gönderen ve radyasyonu daha da elektrik akımlarına dönüştüren iki anten kullanır. Verici anten büyük ölçüde geliştirilemez çünkü temelde sadece dalgalar üretir. Alıcı anten, iyileştirme için çok daha fazla alana sahiptir. Gelen radyasyonun tamamını emmez, ancak bir kısmını arkasına yayar. Genel olarak, antenin tepkisi iki anahtar parametre ile belirlenir: bozunma süresi τF ve τw sırasıyla boş alan radyasyonuna ve elektrik devresine. Bu iki değer arasındaki oran, bir gelen dalga tarafından taşınan enerjinin ne kadarının alıcı anten tarafından "çıkarıldığını" tanımlar.
Şekil 2. Anten alma. SF, olay radyasyonunu gösterirken, sw−, nihayetinde elektrik devresine giren enerjidir ve sw +, yardımcı sinyaldir. Kredi: Alex Krasnok ve ark./Fiziksel İnceleme Mektupları
Bununla birlikte, alıcı bir yardımcı sinyali tekrar antene iletir ve sinyalin fazı ve genliği, gelen dalganınkilerle eşleşir, bu ikisi karışacak ve çıkarılan enerjinin oranını potansiyel olarak değiştirecektir. Bu konfigürasyon, bir MIPT'nin Denis Baranov araştırmacıları ekibi tarafından yazılan ve Andrea Alu tarafından yönetilen bu hikayede bildirilen makalede tartışılmaktadır.
Dalgaları güçlendirmek için girişimden yararlanma
Bir deneyde önerilen güç aktarım yapılandırmasını uygulamadan önce, fizikçiler teorik olarak normal bir pasif antende ne kadar gelişme sağlayabileceğini tahmin ettiler. Eşlenik eşleştirme koşulu ilk etapta karşılanırsa, herhangi bir gelişme olmadığı ortaya çıktı: Anten, başlamak için mükemmel şekilde ayarlanmış. Bununla birlikte, zayıflama süreleri önemli ölçüde farklı olan - yani τF, τw'den birkaç kat daha büyük olduğunda veya tam tersi olduğunda - uyumsuz bir anten için yardımcı sinyalin fark edilir bir etkisi vardır. Fazına ve genliğine bağlı olarak, soğurulan enerjinin oranı, pasif moddaki aynı uyumsuz antene kıyasla birkaç kat daha fazla olabilir. Aslında, emilen enerji miktarı ayarlanmış bir anteninki kadar yüksek olabilir (bkz. Şekil 3).
Şekil 3. (a) 'daki grafik, enerji dengesi Σ olarak bilinen alınan ve tüketilen güç arasındaki farkın, τw τF'den 10 kat daha büyük olan detuned bir anten için yardımcı sinyal gücüne nasıl bağlı olduğunu göstermektedir. Turuncu gölgeli alan, gelen dalga ve sinyal arasındaki olası faz kaymaları aralığını kapsar. Kesikli çizgi, τF ve τw parametreleri eşit olan bir anten için aynı bağımlılığı temsil eder - yani, ayarlanmış bir anten. Grafik (b), anten zayıflama süreleri τF / τw arasındaki oranın bir fonksiyonu olarak geliştirme faktörünü - maksimum enerji dengesi Σ ile pasif uyumsuz bir antenin enerji dengesi arasındaki oran - göstermektedir. Kredi: Alex Krasnok ve ark./Fiziksel İnceleme Mektupları
Teorik hesaplamalarını doğrulamak için, araştırmacılar bir güç kaynağına bağlı 5 santimetre uzunluğunda bir çift kutuplu anteni sayısal olarak modellediler ve 1,36 gigahertz dalgalarla ışınladılar. Bu kurulum için, enerji dengesinin sinyal fazına ve genliğe bağımlılığı (şekil 4) genellikle teorik tahminlerle örtüşmüştür. İlginç bir şekilde, sinyal ve olay dalgası arasında sıfır faz kayması için denge maksimize edildi. Araştırmacıların sunduğu açıklama şudur: Yardımcı sinyalin varlığında, antenin etkili açıklığı artırılır, böylece kabloya daha fazla yayılan enerji toplar. Açıklıktaki bu artış, elektromanyetik radyasyon enerjisi transferinin yönünü gösteren anten etrafındaki Poynting vektöründen belirgindir (bkz. Şekil 5).
Şekil 4. Gelen dalga ve sinyal arasındaki çeşitli faz kaymaları için sayısal hesaplamaların sonuçları (şekil 3a'yı karşılaştırın). Kredi: Alex Krasnok ve ark./Fiziksel İnceleme Mektupları
Şekil 5. Sıfır faz kayması (solda) ve 180 derecelik (sağda) faz kayması için anten etrafındaki poynting vektör dağılımı. Kredi: Alex Krasnok ve ark./Fiziksel İnceleme Mektupları
Ekip, sayısal simülasyonlara ek olarak, mikrodalga anten görevi gören ve 10 santimetre aralıklı yerleştirilmiş iki koaksiyel adaptörle bir deney yaptı. Adaptörlerden biri 1 miliwatt civarında güçlere sahip dalgalar yaydı ve diğeri onları alıp enerjiyi bir koaksiyel kablo aracılığıyla bir devreye aktarmaya çalıştı. Frekans 8 gigahertz olarak ayarlandığında, adaptörler ayarlanmış antenler olarak çalışarak gücü neredeyse hiç kayıp olmadan aktarıyorlardı (şekil 6a). Bununla birlikte, daha düşük frekanslarda, yansıyan radyasyonun genliği keskin bir şekilde arttı ve adaptörler daha çok uyumsuz antenler gibi işlev gördü (şekil 6b). İkinci durumda, araştırmacılar, yardımcı sinyaller yardımıyla iletilen enerji miktarını neredeyse on kat artırmayı başardılar.
Şekil 6. Ayarlanmış (a) ve uyumsuz (b) anten için deneysel olarak ölçülen enerji dengesi faz kayması ve sinyal gücüne bağımlılığı. Kredi: Alex Krasnok ve ark./Fiziksel İnceleme Mektupları
Kasım ayında, Denis Baranov'un da aralarında bulunduğu bir araştırmacı ekibi teorik olarak, gelen ışık nabzının doğru parametrelere sahip olması durumunda (özellikle, genliğin katlanarak büyümesi gerekir), gelen ışığın çoğunu emmek için şeffaf bir malzemenin yapılabileceğini gösterdi. 2016'da MIPT, ITMO Üniversitesi ve Austin'deki Texas Üniversitesi'nden fizikçiler, yoğunluğuna bağlı olarak ışığı farklı yönlere dağıtan nano antenler geliştirdiler. Bunlar, ultra hızlı veri iletimi ve işleme kanalları oluşturmak için kullanılabilir.
Haber Kaynağı: MIPT