Desde que Nikola Tesla arrojó electricidad en todas direcciones con su bobina en 1891, Los científicos han estado pensando en formas de enviar energía eléctrica a través del aire. El sueño es cargar su teléfono o computadora portátil, o incluso un dispositivo sanitario como un marcapasos, sin necesidad de cables y enchufes. El truco es conseguir que la electricidad encuentre su objetivo previsto, y lograr que ese objetivo absorba la electricidad en lugar de simplemente reflejarla en el aire, todo preferiblemente sin poner en peligro a nadie en el camino.

Estos días, Puede cargar un teléfono inteligente de forma inalámbrica colocándolo a una pulgada de una estación de carga. Pero transferencia de energía inalámbrica de largo alcance utilizable, de un lado de una habitación a otro o incluso a través de un edificio, todavía es un trabajo en progreso. La mayoría de los métodos actualmente en desarrollo implican enfocar haces estrechos de energía y apuntarlos a su objetivo previsto. Estos métodos han tenido cierto éxito, pero hasta ahora no son muy eficientes. Y tener rayos electromagnéticos enfocados volando por el aire es inquietante.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Maryland (UMD), en colaboración con un colega de Wesleyan University en Connecticut, han desarrollado una técnica mejorada para la tecnología de transferencia de energía inalámbrica que puede prometer una transmisión de energía de largo alcance sin haces de energía dirigidos y enfocados de manera estrecha. Sus resultados, que amplían la aplicabilidad de técnicas anteriores, fueron publicados el 17 de noviembre de 2020 en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

El equipo generalizó un concepto conocido como "anti-láser". En un láser un fotón desencadena una cascada de muchos fotones del mismo color disparados en un haz coherente. En un anti-láser, sucede lo contrario. En lugar de aumentar la cantidad de fotones, un anti-láser absorbe coherente y perfectamente un haz de muchos fotones sintonizados con precisión. Es como un láser que retrocede en el tiempo.

El nuevo trabajo dirigido por el profesor de física de la UMD Steven Anlage del Centro de Materiales Cuánticos (QMC), demuestra que es posible diseñar un absorbente perfecto coherente fuera de la estructura láser de tiempo invertido original, una relajación de algunas de las limitaciones clave en trabajos anteriores. En lugar de asumir que los haces dirigidos viajan a lo largo de líneas rectas hacia un objetivo de absorción, eligieron una geometría desordenada y no susceptible de ser ejecutada hacia atrás en el tiempo.

"Queríamos ver este efecto en un entorno completamente general donde no hay restricciones, "dice Anlage." Queríamos una especie de arbitrario, entorno complejo, y queríamos lograr una absorción perfecta en esas circunstancias realmente exigentes. Esa fue la motivación para esto, y lo logramos ".

Anlage y sus colegas querían crear un dispositivo que pudiera recibir energía de una fuente más difusa, algo que era menos haz y más baño. Antes de abordar el desafío inalámbrico, configuraron su anti-láser generalizado como un laberinto de cables por los que viajaban las ondas electromagnéticas. Específicamente, usaban microondas, un candidato común para aplicaciones de transferencia de energía. El laberinto consistía en un montón de cables y cajas conectados de una manera deliberadamente desordenada. Las microondas que atraviesan este laberinto se enredarían tanto que, incluso si fuera posible invertir el tiempo, esto todavía no los desenredaría.

Enterrado en medio de este laberinto había un absorbedor, el objetivo al que entregar energía. El equipo envió microondas de diferentes frecuencias, amplitudes y fases en el laberinto y midieron cómo se transformaron. Basado en estas medidas, pudieron calcular las propiedades exactas de las microondas de entrada que resultarían en una transferencia de potencia perfecta al absorbedor. Descubrieron que para microondas de entrada correctamente elegidos, el laberinto absorbió un 99,999% sin precedentes de la energía que enviaron a él. Esto demostró explícitamente que se puede lograr una absorción perfecta coherente incluso sin que un láser funcione hacia atrás en el tiempo.

Luego, el equipo dio un paso hacia la transferencia de energía inalámbrica. Repitieron el experimento en una cavidad, una placa de latón de varios pies en cada dirección con un agujero de forma extraña en el medio. La forma del agujero se diseñó para que las microondas rebotaran a su alrededor de forma impredecible, manera caótica. Colocaron un absorbedor de energía dentro de la cavidad, y envió microondas para rebotar en el espacio abierto en el interior. Pudieron encontrar las condiciones de entrada de microondas adecuadas para una absorción perfecta coherente con una eficiencia del 99,996%.

El trabajo reciente de una colaboración de equipos en Francia y Austria también demostró una absorción perfecta coherente en su propio laberinto de microondas desordenado. Sin embargo, su experimento no fue tan general como el nuevo trabajo de Anlage y sus colegas. En el trabajo anterior, las microondas que entran en el laberinto aún quedarían desenredadas por una hipotética inversión del tiempo. Esto puede parecer una distinción sutil, pero los autores dicen que demostrar que la absorción perfecta coherente no requiere ningún tipo de orden en el entorno promete aplicabilidad prácticamente en cualquier lugar.

Generalizar técnicas anteriores de esta manera invita a ideas que suenan a ciencia ficción, como poder cargar de forma inalámbrica y remota cualquier objeto en un entorno complejo, como un edificio de oficinas, con una eficiencia casi perfecta. Tales esquemas requerirían que la frecuencia, amplitud, y la fase de la energía eléctrica se ajusta de forma personalizada a objetivos específicos. Pero no habría necesidad de enfocar un rayo de alta potencia y apuntarlo a la computadora portátil o al teléfono; las ondas eléctricas mismas estarían diseñadas para encontrar el objetivo elegido.

"Si tenemos un objeto al que queremos entregar energía, Primero usaremos nuestro equipo para medir algunas propiedades del sistema, "dice Lei Chen, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática en la UMD y autor principal del artículo. "Basándonos en esas propiedades, podemos obtener las señales de microondas únicas para este tipo de sistema. Y será perfectamente absorbido por el objeto. Para cada objeto único, las señales serán diferentes y especialmente diseñadas ".

Aunque esta técnica es muy prometedora, Queda mucho por hacer antes de la llegada de las oficinas inalámbricas y sin enchufes. El absorbedor perfecto depende fundamentalmente de que la potencia se sintonice correctamente para el absorbedor. Un ligero cambio en el entorno, como mover la computadora portátil de destino o levantar las persianas de la habitación, requeriría un reajuste inmediato de todos los parámetros. Entonces, debería haber una manera de encontrar rápida y eficientemente las condiciones adecuadas para una absorción perfecta sobre la marcha, sin utilizar demasiada potencia o ancho de banda. Adicionalmente, Es necesario trabajar más para determinar la eficacia y seguridad de esta técnica en entornos realistas.

Aunque todavía no es el momento de tirar todos los cables de alimentación, La absorción perfecta coherente puede resultar útil de muchas formas. No solo es general para cualquier tipo de objetivo, tampoco se limita a la óptica o las microondas. "No está ligado a una tecnología específica, "dice Anlage, "Este es un fenómeno de ondas muy general. Y el hecho de que se haga en microondas es solo porque ahí es donde están los puntos fuertes de mi laboratorio. Pero se puede hacer todo esto con acústica, podrías hacer esto con ondas de materia, podrías hacer esto con átomos fríos. Podrías hacer esto en muchos muchos contextos diferentes ".

Además de Chen y Anlage, Tsampikos Kottos, profesor de la Wesleyan University, fue coautor del artículo.