يقدم باحثون وعلماء من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا وجامعة ITMO طريقة لزيادة كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية عبر مسافات طويلة.
قام فريق من الباحثين من MIPT وجامعة ITMO باختباره باستخدام المحاكاة العددية والتجارب. لتحقيق ذلك ، قاموا بنقل الطاقة بين هوائيين. نتيجة لذلك ، كان أحدهم متحمسًا بإشارة انتشار عكسي ذات سعة وطور محددين.
يتذكر طالب الدكتوراة دينيس بارانوف ، طالب الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتقنية ، دينيس بارانوف ، "تم تقديم فكرة الامتصاص المتماسك في ورقة نُشرت في عام 2010. أظهر المؤلفون أنه يمكن استخدام تداخل الموجة للتحكم في امتصاص الضوء والإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل عام".
"قررنا معرفة ما إذا كان يمكن التحكم في العمليات الأخرى ، مثل انتشار الموجات الكهرومغناطيسية ، بنفس الطريقة. لقد اخترنا العمل مع هوائي لنقل الطاقة لاسلكيًا ، لأن هذا النظام سيستفيد بشكل كبير من التكنولوجيا" ، كما يقول. "حسنًا ، لقد فوجئنا تمامًا باكتشاف أنه يمكن بالفعل تحسين نقل الطاقة عن طريق إرسال جزء من الطاقة المستلمة من بطارية الشحن إلى هوائي الاستقبال."
نقل الطاقة اللاسلكي اقترحه في الأصل نيكولا تيسلا في القرن التاسع عشر. استخدم مبدأ الحث الكهرومغناطيسي ، كما نعلم أن قانون فاراداي ينص على أنه إذا تم وضع ملف ثانٍ في المجال المغناطيسي للملف الأول ، فإنه يحفز تيارًا كهربائيًا في الملف الثاني ، والذي يمكن استخدامه في التطبيقات المختلفة.
الشكل. 1. توضح الخطوط المتقطعة للحقول المغناطيسية حول ملفين تحريض مبدأ الحث الكهرومغناطيسي
في الوقت الحاضر ، إذا تحدثنا عن نطاق النقل اللاسلكي ، فهذا يعني بالضبط أعلى الشاحن. تكمن المشكلة في أن قوة المجال المغناطيسي الذي يولده الملف الموجود في الشاحن يتناسب عكسياً مع المسافة منه. لهذا السبب ، يعمل النقل اللاسلكي فقط في مسافة تقل عن 3-5 سنتيمترات. كحل لذلك ، زيادة حجم أحد الملفات أو التيار الموجود فيه ، ولكن هذا يعني وجود مجال مغناطيسي أقوى والذي من المحتمل أن يكون ضارًا بالبشر حول الجهاز. أيضًا ، هناك بعض الدول التي لديها قيود قانونية على الطاقة الإشعاعية. كما هو الحال في روسيا ، يجب ألا تتجاوز كثافة الإشعاع 10 ميكرو واط لكل سنتيمتر مربع حول برج الخلية.
نقل الطاقة من خلال وسط هوائي
يمكن نقل الطاقة لاسلكيًا من خلال طرق مختلفة مثل نقل طاقة المجال البعيد ، وإشعاع الطاقة ، واستخدام هوائيين ، يرسل أحدهما طاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية إلى الآخر مما يحول الإشعاع إلى تيارات كهربائية. لا يمكن تحسين هوائي الإرسال بشكل كبير ، لأنه يولد موجات فقط. يحتوي هوائي الاستقبال على مناطق أكثر بكثير للتحسين. إنه لا يمتص كل الإشعاع الساقط ولكنه يشع بعض ظهوره. بشكل عام ، يتم تحديد استجابة الهوائي بواسطة معلمتين رئيسيتين: زمن الانحلال F و w في إشعاع الفضاء الحر وفي الدائرة الكهربائية على التوالي. تحدد النسبة بين هاتين القيمتين مقدار الطاقة التي تحملها الموجة الواردة "المستخرجة" بواسطة هوائي الاستقبال.
الشكل 2. استقبال هوائي. يشير SF إلى الإشعاع الحادث ، في حين أن sw− هي الطاقة التي تذهب في النهاية إلى الدائرة الكهربائية و sw + هي الإشارة المساعدة. الائتمان: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
ومع ذلك ، يرسل المستقبِل إشارة مساعدة إلى الهوائي ويتطابق طور وسعة الإشارة مع الموجات الواردة ، وسيتداخل هذان الاثنان ، مما قد يغير نسبة الطاقة المستخرجة. تمت مناقشة هذا التكوين في الورقة التي تم الإبلاغ عنها في هذه القصة ، والتي كتبها فريق MIPT من الباحثين لدينيس بارانوف بقيادة أندريا ألو.
استغلال التداخل لتضخيم الموجات
قبل تنفيذ التكوين المقترح لنقل الطاقة في التجربة ، قدر الفيزيائيون نظريًا التحسين الذي يمكن أن يقدمه الهوائي السلبي العادي. اتضح أنه إذا تم استيفاء شرط المطابقة المقترنة في المقام الأول ، فلا يوجد أي تحسن على الإطلاق: الهوائي مضبوط تمامًا للبدء به. ومع ذلك ، بالنسبة للهوائي المنفصل الذي تختلف أوقات اضمحلاله اختلافًا كبيرًا - أي عندما تكون F أكبر بعدة مرات من τw ، أو العكس - يكون للإشارة المساعدة تأثير ملحوظ. اعتمادًا على الطور والسعة ، يمكن أن تكون نسبة الطاقة الممتصة أكبر بعدة مرات مقارنة بنفس الهوائي المنفصل في الوضع السلبي. في الواقع ، يمكن أن ترتفع كمية الطاقة الممتصة مثل تلك الموجودة في الهوائي المضبوط (انظر الشكل 3).
الشكل 3. يوضح الرسم البياني في (أ) كيف أن الفرق بين القدرة المستقبلة والمستهلكة ، والمعروف باسم توازن الطاقة Σ ، يعتمد على قدرة الإشارة المساعدة لهوائي مفكك مع τw 10 مرات أكبر من F. تغطي المنطقة المظللة باللون البرتقالي نطاق تحولات الطور المحتملة بين الموجة الساقطة والإشارة. يمثل الخط المتقطع نفس التبعية للهوائي الذي تتساوى معلماته F و τw - أي هوائي مضبوط. يوضح الرسم البياني (ب) عامل التحسين - النسبة بين أقصى توازن للطاقة Σ وتوازن الطاقة لهوائي مفكك سلبي - كدالة للنسبة بين أوقات اضمحلال الهوائي F / w. الائتمان: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
لتأكيد حساباتهم النظرية ، وضع الباحثون نموذجًا رقميًا لهوائي ثنائي القطب يبلغ طوله 5 سنتيمترات متصل بمصدر طاقة وقام بتشعيعه بموجات 1.36 جيجا هرتز. بالنسبة لهذا الإعداد ، تزامن اعتماد توازن الطاقة على مرحلة الإشارة والسعة (الشكل 4) بشكل عام مع التنبؤات النظرية. ومن المثير للاهتمام ، أنه تم تعظيم التوازن من أجل تحول طور صفري بين الإشارة وموجة الحادث. التفسير الذي قدمه الباحثون هو: في وقت مبكر للإشارة المساعدة ، يتم تحسين الفتحة الفعالة للهوائي ، بحيث يجمع المزيد من طاقة الانتشار في الكبل. تتضح هذه الزيادة في الفتحة من ناقل Poynting حول الهوائي ، مما يشير إلى اتجاه نقل طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي (انظر الشكل 5).
الشكل 4. نتائج الحسابات العددية لتحولات الطور المختلفة بين الموجة العارضة والإشارة (قارن الشكل 3 أ). الائتمان: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
الشكل 5. توزيع متجه بوينتينج حول الهوائي لانزياح طور صفري (يسار) وانزياح طور 180 درجة (يمين). الائتمان: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
بالإضافة إلى عمليات المحاكاة العددية ، أجرى الفريق تجربة باستخدام محوّلين متحد المحور ، كانا بمثابة هوائيات ميكروويف وتم وضعهما على مسافة 10 سنتيمترات. قام أحد المهايئين بإصدار موجات بقدرة حوالي 1 ملي واط ، وحاول الآخر التقاطها ونقل الطاقة إلى دائرة عبر كابل متحد المحور. عندما تم ضبط التردد على 8 جيجاهيرتز ، تعمل المحولات كهوائيات مضبوطة ، تنقل الطاقة بدون خسائر عمليًا (الشكل 6 أ). ومع ذلك ، في الترددات المنخفضة ، زادت سعة الإشعاع المنعكس بشكل حاد ، وعملت المحولات مثل الهوائيات المنفصلة (الشكل 6 ب). في الحالة الأخيرة ، تمكن الباحثون من زيادة كمية الطاقة المنقولة عشرة أضعاف تقريبًا بمساعدة الإشارات المساعدة.
الشكل 6. اعتماد ميزان الطاقة المقاس تجريبياً على تحول الطور وقدرة الإشارة لهوائي (أ) ومفكك (ب). الائتمان: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
في نوفمبر ، أظهر فريق من الباحثين بما في ذلك دينيس بارانوف نظريًا أنه يمكن صنع مادة شفافة لامتصاص معظم الضوء الساقط ، إذا كانت النبضة الضوئية الواردة تحتوي على المعلمات الصحيحة (على وجه التحديد ، يجب أن تنمو السعة بشكل كبير). في عام 2016 ، طور علماء الفيزياء من MIPT وجامعة ITMO وجامعة تكساس في أوستن هوائيات نانوية تشتت الضوء في اتجاهات مختلفة اعتمادًا على شدتها. يمكن استخدام هذه لإنشاء قنوات نقل ومعالجة بيانات فائقة السرعة.
مصدر الأخبار: MIPT