Un equipo de investigación internacional que incluye a científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad ITMO ha propuesto una forma de aumentar la eficiencia de la transferencia de energía inalámbrica a largas distancias y la ha probado con simulaciones numéricas y experimentos. Lograr esto, transmitieron energía entre dos antenas, uno de los cuales se excitó con una señal de retropropagación de amplitud y fase específicas. El estudio se detalla en un artículo publicado en Cartas de revisión física e informado brevemente en la revista American Physical Society Física .

"La noción de un absorbente coherente se introdujo en un artículo publicado en 2010. Los autores demostraron que la interferencia de ondas se puede utilizar para controlar la absorción de luz y radiación electromagnética en general. "dice el estudiante de doctorado del MIPT Denis Baranov.

"Decidimos averiguar si otros procesos, como la propagación de ondas electromagnéticas, se puede controlar de la misma manera. Elegimos trabajar con una antena para la transferencia de energía inalámbrica, porque este sistema se beneficiaría enormemente de la tecnología, ", dice." Bueno, nos sorprendió bastante descubrir que la transferencia de energía puede, Por supuesto, mejorar transmitiendo una parte de la energía recibida desde la batería que se está cargando a la antena receptora ".

Bobinas y transformadores

La transferencia de energía inalámbrica fue propuesta originalmente por Nikola Tesla a finales del siglo XIX. Logró encender lámparas fluorescentes e incandescentes a distancia sin cables que conectaran las lámparas a un generador. Para llevar a cabo esta hazaña, usó el principio de inducción electromagnética:cuando una corriente alterna pasa a través de una bobina, es decir, un conductor enrollado en espiral alrededor de un núcleo en forma de cilindro; esto da lugar a un campo magnético alterno tanto dentro como fuera de la bobina. La ley de Faraday dice que si se coloca una segunda bobina en este campo magnético (figura 1), se induce una corriente eléctrica en esta otra bobina, que luego se puede usar para cargar un acumulador o para algún otro propósito.

Puede que no sea obvio, pero la transferencia de energía inalámbrica ya se usa ampliamente. Por ejemplo, Las bobinas de inducción desconectadas son el núcleo de los transformadores de los televisores. teléfonos inteligentes, Lámparas ahorradoras de energía, líneas eléctricas, etc. Al aumentar o disminuir la tensión alterna en la red eléctrica y los dispositivos individuales, Los transformadores permiten una transmisión de energía eficiente y el funcionamiento de la electrónica de consumo. Aparte de eso, Recientemente se ha implementado una tecnología análoga a la propuesta por Tesla en bases de carga inalámbrica para teléfonos y coches eléctricos. La carga inductiva comienza a funcionar en el momento en que un automóvil eléctrico o un teléfono compatible con la tecnología entra en el alcance.

A partir de hoy, sin embargo, "dentro del alcance" significa justo encima del cargador, y esa es una de las principales deficiencias de la tecnología actualmente disponible. El problema es que la fuerza del campo magnético generado por la bobina en el cargador es inversamente proporcional a la distancia desde ella, es decir, el campo se desvanece rápidamente con la distancia. Entonces la segunda bobina, que está integrado en el dispositivo, tiene que estar bastante cerca para que se induzca una corriente notable. Es por eso que los núcleos magnéticos se utilizan para confinar y guiar campos magnéticos en transformadores. Y esa es también la razón por la que los cargadores inalámbricos funcionan a distancias de menos de 3-5 centímetros. Ese rango podría por supuesto, mejorarse aumentando el tamaño de una de las bobinas o la corriente en ella, pero eso significaría campos magnéticos más fuertes potencialmente dañinos para los humanos alrededor de los dispositivos. En la mayoría de los países, Existe un límite legal sobre la potencia de radiación. Por ejemplo, En Rusia, la densidad de radiación alrededor de las torres de telefonía celular no puede exceder los 10 microvatios por centímetro cuadrado.

Transmitiendo poder por el aire

Hay otras formas de transmitir energía sin cables que funcionan en distancias más largas. Estas técnicas, conocida como transferencia de energía de campo lejano, o energía radiante, utilizar dos antenas, uno de los cuales envía energía en forma de ondas electromagnéticas al otro, que luego convierte la radiación en corrientes eléctricas. La antena transmisora ​​no se puede mejorar sustancialmente, porque básicamente solo genera ondas. La antena receptora, por el contrario, tiene mucho más margen de mejora.

En tono rimbombante, la antena receptora no absorbe toda la radiación incidente, pero vuelve a irradiar parte de ella. Generalmente hablando, La respuesta de la antena está determinada por dos parámetros clave:los tiempos de caída τF y τw en la radiación del espacio libre y en el circuito eléctrico, respectivamente. Estos tiempos de caída indican cuánto tiempo se tarda en reducir la amplitud de una onda en un cierto factor; por lo general, se usa el número e. La relación entre estos dos valores determina cuánta energía transportada por una onda incidente es "extraída" por la antena receptora. Cuando los dos tiempos de desintegración son iguales, se extrae una cantidad máxima de energía. Si τF es menor que τw, la reradiación comienza demasiado pronto. En cambio, si τF es mayor que τw, la antena es demasiado lenta para absorber la radiación incidente. Cuando los dos tiempos son iguales, los ingenieros dicen que se ha cumplido la condición de coincidencia conjugada. En otras palabras, la antena está sintonizada. Aunque las antenas se fabrican teniendo en cuenta esa condición, lograr una precisión absoluta es bastante difícil. Es más, incluso una antena perfecta se puede desafinar fácilmente debido a un cambio de temperatura, reflejos de señal del terreno, y otros factores externos. Finalmente, la cantidad de energía absorbida también depende de la frecuencia de radiación y se maximiza para ondas cuyas frecuencias coinciden con la frecuencia de resonancia de la antena.

En tono rimbombante, lo anterior solo es cierto para una antena pasiva. Si, sin embargo, el receptor transmite una señal auxiliar a la antena y la amplitud y fase de la señal coinciden con las de la onda incidente, los dos interferirán, potencialmente alterando la proporción de energía extraída. Esta configuración se analiza en el documento informado en esta historia, que fue escrito por un equipo de investigadores con Denis Baranov de MIPT y dirigido por Andrea Alù.

Aprovechando la interferencia para amplificar ondas

Antes de implementar su configuración de transmisión de energía propuesta en un experimento, los físicos estimaron teóricamente qué mejora podría ofrecer una antena pasiva regular. Resultó que si la condición de coincidencia conjugada se cumple en primer lugar, no hay mejora alguna:la antena está perfectamente sintonizada para empezar. Sin embargo, para una antena desafinada cuyos tiempos de desintegración difieren significativamente, es decir, cuando τF es varias veces mayor que τw, o al revés:la señal auxiliar tiene un efecto notable. Dependiendo de su fase y amplitud, la proporción de energía absorbida puede ser varias veces mayor en comparación con la misma antena desafinada en el modo pasivo. De hecho, la cantidad de energía absorbida puede llegar a ser tan alta como la de una antena sintonizada.

Para confirmar sus cálculos teóricos, los investigadores modelaron numéricamente una antena dipolo de 5 centímetros de largo conectada a una fuente de energía y la irradiaron con ondas de 1,36 gigahercios. Para esta configuración, la dependencia del balance energético de la fase y amplitud de la señal coincidió generalmente con las predicciones teóricas. Curiosamente, el equilibrio se maximizó para un cambio de fase cero entre la señal y la onda incidente. La explicación que ofrecen los investigadores es la siguiente:En presencia de la señal auxiliar, se mejora la apertura efectiva de la antena, por lo que recolecta más energía de propagación en el cable. Este aumento en la apertura es evidente por el vector de Poynting alrededor de la antena, que indica la dirección de la transferencia de energía de radiación electromagnética.

Además de las simulaciones numéricas, el equipo realizó un experimento con dos adaptadores coaxiales, que sirvieron como antenas de microondas y se colocaron a 10 centímetros de distancia. Uno de los adaptadores irradiaba ondas con potencias de alrededor de 1 milivatio, y el otro intentó recogerlos y transmitir la energía a un circuito a través de un cable coaxial. Cuando la frecuencia se estableció en 8 gigahercios, los adaptadores funcionaban como antenas sintonizadas, transfiriendo energía prácticamente sin pérdidas. A frecuencias más bajas, sin embargo, la amplitud de la radiación reflejada aumentó bruscamente, y los adaptadores funcionaban más como antenas desafinadas. En este último caso, los investigadores lograron aumentar la cantidad de energía transmitida casi diez veces con la ayuda de señales auxiliares.

En noviembre, un equipo de investigadores, incluido Denis Baranov, demostró teóricamente que se puede fabricar un material transparente para absorber la mayor parte de la luz incidente, si el pulso de luz entrante tiene los parámetros correctos (específicamente, la amplitud tiene que crecer exponencialmente). En 2016, físicos del MIPT, Universidad ITMO, y la Universidad de Texas en Austin desarrollaron nanoantenas que dispersan la luz en diferentes direcciones dependiendo de su intensidad. Estos se pueden utilizar para crear canales de procesamiento y transmisión de datos ultrarrápidos.