Pesquisadores e cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e da Universidade ITMO apresentam uma maneira de aumentar a eficiência da transferência de energia sem fio em longas distâncias.
Equipe de pesquisadores do MIPT e da ITMO University testou-o com simulação numérica e experimentos. Para isso, eles transmitiram potência entre duas antenas. Como resultado, um deles foi excitado com um sinal de retropropagação de amplitude e fase específicas.
“A noção de um absorvedor coerente foi introduzida em um artigo publicado em 2010. Os autores mostraram que a interferência das ondas pode ser usada para controlar a absorção da luz e da radiação eletromagnética em geral”, lembra o aluno de doutorado do MIPT, Denis Baranov.
“Decidimos descobrir se outros processos, como a propagação de ondas eletromagnéticas, podem ser controlados da mesma forma. Optamos por trabalhar com uma antena para transferência de energia sem fio, porque esse sistema se beneficiaria enormemente com a tecnologia”, afirma. "Bem, ficamos muito surpresos ao descobrir que a transferência de energia pode realmente ser aprimorada transmitindo uma parte da energia recebida da bateria em carregamento de volta para a antena receptora."
Transferência de energia sem fio originalmente proposto por Nikola Tesla em 19 th Century. Ele usou o princípio da indução eletromagnética, pois sabemos que a lei de Faraday diz que se uma segunda bobina for colocada no campo magnético da primeira bobina, ela induz uma corrente elétrica na segunda bobina, que pode ser usada para as várias aplicações.
Figura. 1. As linhas tracejadas dos campos magnéticos em torno de duas bobinas de indução ilustram o princípio da indução eletromagnética
Hoje em dia, se falamos sobre o alcance da transferência sem fio, significa exatamente na parte superior do carregador. O problema é que a força do campo magnético gerado pela bobina no carregador é inversamente proporcional à distância dela. Por causa disso, a transferência sem fio funciona apenas em distâncias inferiores a 3-5 centímetros. Como solução para isso, aumentar o tamanho de uma das bobinas ou da corrente nela, mas isso significa um campo magnético mais forte que é potencialmente prejudicial aos seres humanos ao redor do dispositivo. Além disso, existem alguns países que têm limites legais sobre o poder de radiação. Como na Rússia, a densidade da radiação não deve exceder 10 microwatts por centímetro quadrado ao redor da torre de celular.
Transmissão de energia por meio de ar
A transferência de energia sem fio é possível por vários métodos, como transferência de energia de campo distante, transmissão de energia e uso de duas antenas, uma das quais envia energia na forma de ondas eletromagnéticas para a outra, que converte ainda mais a radiação em correntes elétricas. A antena de transmissão não pode ser muito melhorada, porque basicamente apenas gera ondas. A antena receptora tem muito mais áreas para melhorias. Não absorve toda a radiação incidente, mas irradiou parte dela de volta. Geralmente, a resposta da antena é determinada por dois parâmetros principais: o tempo de decaimento τF e τw na radiação do espaço livre e no circuito elétrico, respectivamente. A relação entre esses dois valores define quanto da energia transportada por uma onda incidente é “extraída” pela antena receptora.
Figura 2. Antena receptora. SF denota radiação incidente, enquanto sw− é a energia que finalmente vai para o circuito elétrico e sw + é o sinal auxiliar. Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
No entanto, o receptor transmite um sinal auxiliar de volta para a antena e a fase e a amplitude do sinal correspondem às da onda incidente, essas duas interferem, alterando potencialmente a proporção da energia extraída. Essa configuração é discutida no artigo relatado nesta história, que foi de autoria de uma equipe de pesquisadores do MIPT de Denis Baranov e liderada por Andrea Alu.
Explorando a interferência para amplificar as ondas
Antes de implementar sua configuração de transmissão de potência proposta em um experimento, os físicos estimaram teoricamente que melhoria em uma antena passiva regular ela poderia oferecer. Descobriu-se que, se a condição de combinação do conjugado for satisfeita em primeiro lugar, não haverá nenhuma melhoria: a antena está perfeitamente sintonizada para começar. No entanto, para uma antena desafinada cujos tempos de decaimento diferem significativamente - isto é, quando τF é várias vezes maior que τw, ou vice-versa - o sinal auxiliar tem um efeito perceptível. Dependendo de sua fase e amplitude, a proporção de energia absorvida pode ser várias vezes maior em comparação com a mesma antena desafinada no modo passivo. Na verdade, a quantidade de energia absorvida pode ser tão alta quanto a de uma antena sintonizada (veja a figura 3).
Figura 3. O gráfico em (a) mostra como a diferença entre a potência recebida e consumida, conhecida como balanço de energia Σ, depende da potência do sinal auxiliar para uma antena desafinada com τw 10 vezes maior que τF. A área sombreada em laranja cobre a faixa de possíveis mudanças de fase entre a onda incidente e o sinal. A linha tracejada representa a mesma dependência para uma antena cujos parâmetros τF e τw são iguais - ou seja, uma antena sintonizada. O gráfico (b) mostra o fator de aprimoramento - a razão entre o balanço de energia máximo Σ e o balanço de energia de uma antena passiva desafinada - como uma função da razão entre o decaimento da antena vezes τF / τw. Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Para confirmar seus cálculos teóricos, os pesquisadores modelaram numericamente uma antena dipolo de 5 centímetros de comprimento conectada a uma fonte de energia e a irradiaram com ondas de 1,36 gigahertz. Para esta configuração, a dependência do balanço de energia na fase e amplitude do sinal (figura 4) geralmente coincidiu com as previsões teóricas. Curiosamente, o equilíbrio foi maximizado para uma mudança de fase zero entre o sinal e a onda incidente. A explicação oferecida pelos pesquisadores é a seguinte: na presença do sinal auxiliar, a abertura efetiva da antena é aumentada, de forma que ela coleta mais energia de propagação para o cabo. Este aumento na abertura é evidente no vetor de Poynting ao redor da antena, que indica a direção da transferência de energia da radiação eletromagnética (ver figura 5).
Figura 4. Resultados dos cálculos numéricos para várias mudanças de fase entre a onda incidente e o sinal (compare a figura 3a). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figura 5. Distribuição do vetor de Poynting ao redor da antena para uma mudança de fase zero (esquerda) e uma mudança de fase de 180 graus (direita). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Além das simulações numéricas, a equipe realizou um experimento com dois adaptadores coaxiais, que serviram como antenas de micro-ondas e foram posicionados a 10 centímetros de distância. Um dos adaptadores irradiava ondas com potências em torno de 1 miliwatt, e o outro tentava captá-las e transmitir a energia para um circuito por meio de um cabo coaxial. Quando a frequência era ajustada para 8 gigahertz, os adaptadores funcionavam como antenas sintonizadas, transferindo energia praticamente sem perdas (figura 6a). Em frequências mais baixas, no entanto, a amplitude da radiação refletida aumentou drasticamente e os adaptadores funcionaram mais como antenas desafinadas (figura 6b). Neste último caso, os pesquisadores conseguiram aumentar a quantidade de energia transmitida quase dez vezes com a ajuda de sinais auxiliares.
Figura 6. Dependência do equilíbrio de energia medida experimentalmente na mudança de fase e na potência do sinal para uma antena sintonizada (a) e desafinada (b). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Em novembro, uma equipe de pesquisadores, incluindo Denis Baranov, teoricamente demonstrou que um material transparente pode ser feito para absorver a maior parte da luz incidente, se o pulso de luz incidente tiver os parâmetros corretos (especificamente, a amplitude tem que crescer exponencialmente). Em 2016, físicos do MIPT, da ITMO University e da University of Texas em Austin desenvolveram nanoantenas que espalham a luz em diferentes direções, dependendo de sua intensidade. Eles podem ser usados para criar canais de processamento e transmissão de dados ultrarrápidos.
Fonte de notícias: MIPT