Физики из МФТИ и ИТМО, а также их коллеги из Швеции, Финляндии и США предложили способ, с помощью которого можно повысить эффективность беспроводной передачи энергии на дальние расстояния, и проверили его с помощью численного моделирования и прямых экспериментов. В новом способе на принимающую антенну подается сигнал, параметры которого согласованы с параметрами падающего излучения — в результате сигналы интерферируют, и доля переданной в электрическую цепь энергии растет. Таким образом ученым удалось «настроить» слабо «расстроенные» антенны и практически на порядок увеличить эффективность приема сильно «расстроенных» антенн, которые в обычных условиях поглощают около процента энергии падающей волны. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Впервые идею беспроводной зарядки предложил в конце XIX века Никола Тесла — с помощью системы катушек ему удалось зажечь люминесцентную лампу и лампу накаливания, не связанные с генератором проводами и стоящими от него на некотором отдалении. Для этого он использовал принцип электромагнитной индукции. Заключается этот принцип в следующем. Когда через катушку — цилиндр, обмотанный проводом, — пропускают переменный электрический ток, внутри и снаружи от нее возникает магнитное поле, напряженность которого меняется со временем. Если поместить в это магнитное поле вторую катушку, в силу закона Фарадея в ней наведется электрический ток, который можно использовать для питания полезной нагрузки. Подробнее о беспроводной зарядке можно прочитать в нашем материале «На зарядку становись».
Вообще говоря, беспроводная передача энергии сейчас широко используется, только мы этого не замечаем. Трансформаторы, которые повышают или понижают напряженность электрического тока, состоят именно из таких несвязанных друг с другом катушек. Кроме того, в последнее время технологию, аналогичную технологии Теслы, стали использовать в беспроводных зарядных устройствах — достаточно положить телефон на специальный коврик или поставить электромобиль над зарядной станцией, чтобы аккумулятор устройства начал заряжаться.
К сожалению, подобный способ беспроводной передачи энергии имеет ряд серьезных недостатков, самый главный из которых — низкое дальнодействие. Дело в том, что напряженность переменного магнитного поля, создаваемого катушкой, падает обратно пропорционально расстоянию до нее, а потому вторая катушка должна стоять достаточно близко, чтобы в ней навелся сколько-нибудь заметный электрический ток. Именно поэтому в трансформаторах используют специальные сердечники (магнитопроводы), чтобы предотвратить рассеивание магнитного потока. По той же причине дальность беспроводной зарядки не превышает трех-пяти сантиметров, и телефон нужно класть на специальный коврик. Конечно, «дальнобойность» можно повысить, если увеличить размеры одной из катушек или силу пропускаемого через нее тока — однако здесь выходит на первый план другая проблема, связанная с вредным воздействием мощного электромагнитного поля на человека. Большинство стран устанавливает допустимые границы мощности — например, в России плотность излучения сотовых станций ограничена десятью микроваттами на квадратный сантиметр.
К счастью, существуют альтернативные способы беспроводной передачи энергии. Для ограничения области распространения излучения в таких способах используются специально сконструированные антенны, одна из которых направленно излучает электромагнитные волны, а вторая поглощает и передает их энергию в электрическую цепь. Очевидно, что существенно улучшить излучающую антенну нельзя, поскольку ее работа сводится только к генерации волн. А вот простор для улучшений принимающей антенны гораздо шире. Основная проблема этого способа заключается в том, что принимающая антенна не поглощает все падающее на нее излучение полностью, а также частично отражает его обратно.
Антенну в общем случае можно описать двумя параметрами — характерным временем переизлучения свободных электромагнитных волн обратно в пространство τF и характерным временем передачи энергии в электрическую цепь τw. Характерное время — это время, в течение которого амплитуда волны уменьшается в заданное число раз (обычно в качестве меры выбирают основание натурального логарифма e). В зависимости от соотношения между этими временами доля «выкачанной» из падающей волны энергии будет различной, достигая максимума при условии τF = τw. Если время τF меньше времени τw, антенна слишком быстро начинает переизлучать, а в обратном случае она слишком медленно воспринимает падающее излучение. Это равенство называется условием согласования (conjugate matching condition). Обычно антенны стараются изготовить так, чтобы оно выполнялось, но абсолютной точности достигнуть сложно. Кроме того, изначально настроенная антенна может легко «расстроиться» из-за изменении температуры, переотражений сигнала от рельефа и других внешних факторов. Наконец, доля поглощенной энергии зависит от частоты падающей волны — эффективнее всего поглощение происходит на резонансной частоте антенны, а в целом энергетический спектр описывается распределением Лоренца.
Однако подобные рассуждения работают только в том случае, если принимающая антенна пассивна. Если же на нее будет подаваться дополнительный сигнал, амплитуда и фаза которого согласованы с амплитудой и фазой падающей волны, волны станут интерферировать, и доля «выкачанной» энергии может измениться. Именно такую конфигурацию рассмотрела в своей работе группа ученых под руководством Андреа Алу (Andrea Alù) из Техасского университета в Остине.
Прежде чем перейти к экспериментальной реализации предложенной схемы, физики теоретически оценили, насколько заметного усиления можно добиться с ее помощью по сравнению с пассивной антенной. Оказалось, что в случае выполнения условия согласования новая схема не позволяет получить какой-либо прирост переданной энергии — антенна и так уже достаточно хорошо настроена. Однако в случае «расстроенных» антенн, для которых времена τF и τw отличаются в несколько раз, дополнительный сигнал начинает оказывать заметное влияние. В зависимости от его фазы и амплитуды энергетический баланс схемы Σ (то есть разность между полученной и затраченной энергией) может превысить энергетический баланс пассивной антенны в несколько раз и дотянуть до энергий, воспринимаемых «настроенной» антенной.
Чтобы подтвердить теоретические расчеты, ученые численно смоделировали пассивную дипольную антенну длиной около пяти сантиметров, соединенную коаксиальным кабелем с источником напряжения, и направили на нее электромагнитное излучение с частотой около 1,36 гигагерц. Рассчитанная в такой схеме зависимость энергетического баланса от фазы и амплитуды подаваемого на антенну сигнала в целом воспроизводила теоретические оценки. В среднем максимальная величина баланса составляла около пяти милливатт при мощности сигнала от десяти до ста милливатт и достигалась в том случае, если относительная фаза между сигналом и падающей волной равнялась нулю. Ученые объясняют это тем, что при подаче на антенну такого сигнала ее эффективная апертура (то есть собирающая способность) увеличивается, и доля поглощенной энергии растет. Качественно увеличение апертуры можно увидеть, если посмотреть на величину вектора Пойнтинга вокруг антенны (этот вектор описывает направление и величину потока энергии электромагнитной волны).
Наконец, помимо численных расчетов физики поставили прямой эксперимент с двумя коаксиальными адаптерами, которые работали в качестве микроволновых антенн и находились друг от друга на отдалении около десяти сантиметров. Один из адаптеров излучал волны с энергией около одного милливатта, а второй пытался принять их и передать по коаксиальному кабелю к полезной нагрузке. На частотах более восьми гигагерц адаптеры работали как «настроенные» антенны и передавали энергию практически без потерь. Однако на меньших частотах доля отраженного излучения резко увеличивалась, и адаптеры больше напоминали «расстроенные» антенны. В этом случае с помощью дополнительных сигналов исследователям удалось увеличить долю переданной энергии с нуля до пяти процентов.
Стоит заметить, что предложенный учеными способ тоже несовершенен — чтобы повысить эффективность сильно «расстроенных» антенн, к ним нужно прикладывать сигнал с довольно большой амплитудой, мощность которого превышает мощность поглощенного излучения. Например, в эксперименте для получения мощности около 0,05 милливатт требовалось направить на антенну сигнал с мощностью более 0,1 милливатта. Впрочем, в случае слабо «расстроенных» антенн (которые обычно встречаются на практике) это не так, и новый способ позволяет сравнительно легко довести эффективности передачи до единицы. Кроме того, направленный на антенну сигнал не теряется, а частично отражается и снова возвращается в электрическую цепь.
В феврале этого года инженеры из Вашингтонского университета разработали беспроводную зарядку, которая может передавать энергию через лазерный луч и заряжать устройства на расстоянии нескольких метров. В построенном ими устройстве используется лазер четвертого класса опасности, а потому для защиты окружающих людей разработчики снабдили его системой безопасности, которая отключает лазер при приближении к нему людей.
Дмитрий Трунин