Los investigadores prueban con éxito la transferencia de energía inalámbrica a larga distancia

Investigadores y científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad ITMO presentan una forma de aumentar la eficiencia de la transferencia de energía inalámbrica a larga distancia.

El equipo de investigadores de MIPT y la Universidad ITMO lo probó con simulación numérica y experimentos. Para lograr esto, transmitieron potencia entre dos antenas. Como resultado, uno de ellos se excitó con una señal de retropropagación de amplitud y fase específicas.

"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", recuerda el estudiante de doctorado del MIPT Denis Baranov.

"Decidimos averiguar si otros procesos, como la propagación de ondas electromagnéticas, se pueden 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 se puede mejorar transmitiendo una parte de la energía recibida desde la batería que se está cargando a la antena receptora".

Transferencia de energía inalámbrica propuesta originalmente por Nikola Tesla en el siglo ^XIX. Utilizó el principio de inducción electromagnética, ya que sabemos que la ley de Faraday dice que si se coloca una segunda bobina en el campo magnético de la primera bobina, induce una corriente eléctrica en la segunda bobina, que se puede utilizar para las diversas aplicaciones.

Figura. 1. Las líneas discontinuas de los campos magnéticos alrededor de dos bobinas de inducción ilustran el principio de inducción electromagnética.

Hoy en día, si hablamos del rango de transferencia inalámbrica, exactamente significa justo en la parte superior del cargador. El problema es que la fuerza del campo magnético generado por la bobina en el cargador es inversamente proporcional a la distancia de la misma. Debido a esto, la transferencia inalámbrica funciona solo a una distancia inferior a 3-5 centímetros. Como solución, aumentar el tamaño de una de las bobinas o la corriente en ella, pero esto significa un campo magnético más fuerte que es potencialmente dañino para los humanos alrededor del dispositivo. Además, hay algunos países que tienen límites legales sobre la potencia de radiación. Como en Rusia, la densidad de radiación no debe exceder los 10 microvatios por centímetro cuadrado alrededor de la torre celular.

Transmisión de energía a través de un medio aéreo

La transferencia de energía inalámbrica es posible mediante varios métodos, como la transferencia de energía de campo lejano, la transmisión de energía y el uso de dos antenas, una de las cuales envía energía en forma de ondas electromagnéticas a la otra, que convierte la radiación en corrientes eléctricas. La antena transmisora ​​no se puede mejorar mucho, porque básicamente solo genera ondas. La antena receptora tiene muchas más áreas de mejora. No absorbe toda la radiación incidente, pero irradia parte de ella hacia atrás. Generalmente, la respuesta de la antena está determinada por dos parámetros clave: el tiempo de caída τF y τw en radiación en el espacio libre y en el circuito eléctrico, respectivamente. La relación entre estos dos valores define la cantidad de energía transportada por una onda incidente que es "extraída" por la antena receptora.

Figura 2. Antena receptora. SF denota radiación incidente, mientras que sw− es la energía que finalmente ingresa al circuito eléctrico y sw + es la señal auxiliar. Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters

Sin embargo, el receptor transmite una señal auxiliar a la antena y la fase y la amplitud de la señal coinciden con las de la onda incidente, estas dos interferirán, alterando potencialmente la proporción de energía extraída. Esta configuración se discute en el documento que se informa en esta historia, que fue escrito por un equipo de investigadores del MIPT de Denis Baranov y dirigido por Andrea Alu.

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 se cumple la condición de coincidencia conjugada en primer lugar, no hay mejora alguna: la antena está perfectamente sintonizada para empezar. Sin embargo, para una antena desafinada cuyos tiempos de caída 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 modo pasivo. De hecho, la cantidad de energía absorbida puede llegar a ser tan alta como la de una antena sintonizada (ver figura 3).

Figura 3. El gráfico en (a) muestra cómo la diferencia entre la potencia recibida y consumida, conocida como balance de energía Σ, depende de la potencia de la señal auxiliar para una antena desafinada con τw 10 veces mayor que τF. El área sombreada en naranja cubre el rango de posibles cambios de fase entre la onda incidente y la señal. La línea discontinua representa la misma dependencia para una antena cuyos parámetros τF y τw son iguales, es decir, una antena sintonizada. El gráfico (b) muestra el factor de mejora - la relación entre el balance máximo de energía Σ y el balance de energía de una antena pasiva desafinada - en función de la relación entre los tiempos de caída de la antena τF / τw. Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters

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 de energía en la fase y amplitud de la señal (figura 4) generalmente coincidió con las predicciones teóricas. Curiosamente, el equilibrio se maximizó para un cambio de fase cero entre la señal y la onda incidente. La explicación ofrecida por 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 (ver figura 5).

Figura 4. Resultados de cálculos numéricos para varios cambios de fase entre la onda incidente y la señal (compare la figura 3a). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters

Figura 5. Distribución del vector de Poynting alrededor de la antena para un cambio de fase cero (izquierda) y un cambio de fase de 180 grados (derecha). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters

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 captarlas y transmitir la energía a un circuito a través de un cable coaxial. Cuando la frecuencia se estableció en 8 gigahercios, los adaptadores funcionaron como antenas sintonizadas, transfiriendo energía prácticamente sin pérdidas (figura 6a). Sin embargo, a frecuencias más bajas, la amplitud de la radiación reflejada aumentó bruscamente y los adaptadores funcionaron más como antenas desafinadas (figura 6b). En el último caso, los investigadores lograron aumentar la cantidad de energía transmitida casi diez veces con la ayuda de señales auxiliares.

Figura 6. Dependencia del balance de energía medido experimentalmente en el cambio de fase y la potencia de la señal para una antena sintonizada (a) y desafinada (b). Crédito: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters

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 de MIPT, la Universidad ITMO y la Universidad de Texas en Austin desarrollaron nano antenas que dispersan la luz en diferentes direcciones según su intensidad. Estos se pueden utilizar para crear canales de procesamiento y transmisión de datos ultrarrápidos.

Fuente de noticias: MIPT