Forscher und Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und der ITMO-Universität bieten eine Möglichkeit, die Effizienz der drahtlosen Energieübertragung über große Entfernungen zu steigern.
Das Forscherteam von MIPT und ITMO University testete es mit numerischen Simulationen und Experimenten. Um dies zu erreichen, haben sie Leistung zwischen zwei Antennen übertragen. Infolgedessen wurde einer von ihnen mit einem sich zurück ausbreitenden Signal mit spezifischer Amplitude und Phase angeregt.
"Der Begriff eines kohärenten Absorbers wurde in einem bereits 2010 veröffentlichten Artikel vorgestellt. Die Autoren zeigten, dass Welleninterferenzen zur Steuerung der Absorption von Licht und elektromagnetischer Strahlung im Allgemeinen eingesetzt werden können", erinnert sich MIPT-Doktorand Denis Baranov.
"Wir haben uns entschlossen herauszufinden, ob andere Prozesse wie die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen auf die gleiche Weise gesteuert werden können. Wir haben uns für die Verwendung einer Antenne für die drahtlose Energieübertragung entschieden, da dieses System von der Technologie enorm profitieren würde", sagt er. "Nun, wir waren ziemlich überrascht, als wir herausfanden, dass die Energieübertragung tatsächlich verbessert werden kann, indem ein Teil der empfangenen Energie von der Ladebatterie zurück zur Empfangsantenne übertragen wird."
Drahtlose Energieübertragung ursprünglich von Nikola Tesla in 19 th Jahrhundert. Er verwendete das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, da das Faradaysche Gesetz besagt, dass eine zweite Spule im Magnetfeld der ersten Spule einen elektrischen Strom in der zweiten Spule induziert, der für die verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann.
Zahl. 1. Gestrichelte Linien der Magnetfelder um zwei Induktionsspulen veranschaulichen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion
Wenn wir heutzutage über die Reichweite der drahtlosen Übertragung sprechen, bedeutet dies genau, dass Sie sich ganz oben auf dem Ladegerät befinden. Das Problem ist, dass die Stärke des von der Spule im Ladegerät erzeugten Magnetfelds umgekehrt proportional zum Abstand von ihr ist. Aus diesem Grund funktioniert die drahtlose Übertragung nur in Entfernungen von weniger als 3 bis 5 Zentimetern. Als Lösung kann die Größe einer der Spulen oder des Stroms darin erhöht werden. Dies bedeutet jedoch ein stärkeres Magnetfeld, das für den Menschen in der Umgebung des Geräts möglicherweise schädlich ist. Es gibt auch einige Länder, in denen die Strahlungsleistung gesetzlich begrenzt ist. Wie in Russland sollte die Strahlungsdichte 10 Mikrowatt pro Quadratzentimeter um den Zellturm nicht überschreiten.
Kraftübertragung durch ein Luftmedium
Die drahtlose Energieübertragung ist durch verschiedene Methoden wie Fernfeld-Energieübertragung, Energiestrahlung und Verwendung von zwei Antennen möglich, von denen eine Energie in Form von elektromagnetischen Wellen an die andere sendet, die Strahlung weiter in elektrische Ströme umwandelt. Die Sendeantenne kann nicht wesentlich verbessert werden, da sie im Grunde nur Wellen erzeugt. Die Empfangsantenne hat viel mehr Bereiche für die Verbesserung. Es absorbiert nicht die gesamte einfallende Strahlung, sondern strahlt einen Teil davon zurück. Im Allgemeinen wird die Antwort der Antenne durch zwei Schlüsselparameter bestimmt: die Abklingzeit τF und τw in die Strahlung des freien Raums bzw. in den Stromkreis. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten definiert, wie viel Energie von einer einfallenden Welle von der Empfangsantenne "extrahiert" wird.
Abbildung 2. Empfangsantenne. SF bezeichnet einfallende Strahlung, während sw− die Energie ist, die letztendlich in den Stromkreis gelangt, und sw + das Hilfssignal ist. Bildnachweis: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Der Empfänger sendet jedoch ein Hilfssignal zurück zur Antenne, und Phase und Amplitude des Signals stimmen mit denen der einfallenden Welle überein. Diese beiden stören sich und verändern möglicherweise den Anteil der extrahierten Energie. Diese Konfiguration wird in dem Artikel erörtert, der in dieser Geschichte berichtet wurde, die von einem MIPT-Forscherteam von Denis Baranov unter der Leitung von Andrea Alu verfasst wurde.
Ausnutzung von Interferenzen zur Verstärkung von Wellen
Bevor die vorgeschlagene Energieübertragungskonfiguration in einem Experiment implementiert wurde, schätzten die Physiker theoretisch, welche Verbesserung eine reguläre passive Antenne bieten könnte. Es stellte sich heraus, dass es überhaupt keine Verbesserung gibt, wenn die konjugierte Übereinstimmungsbedingung überhaupt erfüllt ist: Die Antenne ist zunächst perfekt abgestimmt. Bei einer verstimmten Antenne, deren Abklingzeiten sich jedoch erheblich unterscheiden, dh wenn τF um ein Vielfaches größer als τw ist, oder umgekehrt, hat das Hilfssignal einen spürbaren Effekt. Abhängig von seiner Phase und Amplitude kann der Anteil der absorbierten Energie im passiven Modus um ein Vielfaches höher sein als bei derselben verstimmten Antenne. Tatsächlich kann die Menge der absorbierten Energie so hoch sein wie die einer abgestimmten Antenne (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3. Das Diagramm in (a) zeigt, wie die Differenz zwischen empfangener und verbrauchter Leistung, die als Energiebilanz Σ bezeichnet wird, von der Hilfssignalleistung für eine verstimmte Antenne abhängt, deren τw 10-mal größer als τF ist. Der orange schattierte Bereich deckt den Bereich möglicher Phasenverschiebungen zwischen der einfallenden Welle und dem Signal ab. Die gestrichelte Linie stellt die gleiche Abhängigkeit für eine Antenne dar, deren τF- und τw-Parameter gleich sind, dh für eine abgestimmte Antenne. Grafik (b) zeigt den Verbesserungsfaktor - das Verhältnis zwischen der maximalen Energiebilanz Σ und der Energiebilanz einer passiv verstimmten Antenne - als Funktion des Verhältnisses zwischen den Antennenabklingzeiten τF / τw. Bildnachweis: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Um ihre theoretischen Berechnungen zu bestätigen, modellierten die Forscher numerisch eine 5 Zentimeter lange Dipolantenne, die an eine Stromquelle angeschlossen war, und bestrahlten sie mit 1,36-Gigahertz-Wellen. Bei diesem Aufbau stimmte die Abhängigkeit der Energiebilanz von der Signalphase und -amplitude (Abbildung 4) im Allgemeinen mit den theoretischen Vorhersagen überein. Interessanterweise wurde das Gleichgewicht für eine Phasenverschiebung von Null zwischen dem Signal und der einfallenden Welle maximiert. Die von den Forschern angebotene Erklärung lautet wie folgt: In Gegenwart des Hilfssignals wird die effektive Apertur der Antenne verbessert, sodass mehr sich ausbreitende Energie im Kabel gesammelt wird. Diese Zunahme der Apertur ist aus dem Poynting-Vektor um die Antenne ersichtlich, der die Richtung der Energieübertragung elektromagnetischer Strahlung angibt (siehe Abbildung 5).
Abbildung 4. Ergebnisse numerischer Berechnungen für verschiedene Phasenverschiebungen zwischen der einfallenden Welle und dem Signal (vgl. Abbildung 3a). Bildnachweis: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Abbildung 5. Poynting-Vektorverteilung um die Antenne für eine Phasenverschiebung von Null (links) und eine Phasenverschiebung von 180 Grad (rechts). Bildnachweis: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Zusätzlich zu numerischen Simulationen führte das Team ein Experiment mit zwei Koaxialadaptern durch, die als Mikrowellenantennen dienten und 10 Zentimeter voneinander entfernt waren. Einer der Adapter strahlte Wellen mit einer Leistung von etwa 1 Milliwatt aus, und der andere versuchte, sie aufzunehmen und die Energie über ein Koaxialkabel in einen Stromkreis zu übertragen. Wenn die Frequenz auf 8 Gigahertz eingestellt war, arbeiteten die Adapter als abgestimmte Antennen und übertrugen die Leistung praktisch verlustfrei (Abbildung 6a). Bei niedrigeren Frequenzen nahm die Amplitude der reflektierten Strahlung jedoch stark zu, und die Adapter funktionierten eher wie verstimmte Antennen (Abbildung 6b). Im letzteren Fall gelang es den Forschern, die Menge der übertragenen Energie mithilfe von Hilfssignalen fast zu verzehnfachen.
Abbildung 6. Experimentell gemessene Abhängigkeit der Energiebilanz von Phasenverschiebung und Signalleistung für eine abgestimmte (a) und verstimmte (b) Antenne. Bildnachweis: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Im November hat ein Forscherteam, darunter Denis Baranov, theoretisch gezeigt, dass ein transparentes Material hergestellt werden kann, um das meiste einfallende Licht zu absorbieren, wenn der einfallende Lichtimpuls die richtigen Parameter aufweist (insbesondere muss die Amplitude exponentiell wachsen). Bereits 2016 entwickelten Physiker des MIPT, der ITMO University und der University of Texas in Austin Nano-Antennen, die das Licht je nach Intensität in verschiedene Richtungen streuen. Diese können verwendet werden, um ultraschnelle Datenübertragungs- und -verarbeitungskanäle zu erstellen.
Nachrichtenquelle: MIPT