Des chercheurs et des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Université ITMO présentent un moyen d'augmenter l'efficacité du transfert d'énergie sans fil sur de longues distances.
Une équipe de chercheurs du MIPT et de l'Université ITMO l'a testé avec des simulations numériques et des expériences. Pour y parvenir, ils ont transmis de la puissance entre deux antennes. En conséquence, l'un d'eux était excité par un signal rétropropagatoire d'amplitude et de phase spécifiques.
«La notion d'absorbeur cohérent a été introduite dans un article publié en 2010. Les auteurs ont montré que les interférences des ondes peuvent être utilisées pour contrôler l'absorption de la lumière et des rayonnements électromagnétiques en général», rappelle le doctorant du MIPT, Denis Baranov.
«Nous avons décidé de savoir si d'autres processus, tels que la propagation des ondes électromagnétiques, pouvaient être contrôlés de la même manière. Nous avons choisi de travailler avec une antenne pour le transfert d'énergie sans fil, car ce système bénéficierait énormément de la technologie», dit-il. "Eh bien, nous avons été assez surpris de découvrir que le transfert de puissance peut en effet être amélioré en transmettant une partie de la puissance reçue de la batterie de charge à l'antenne de réception."
Transfert d'énergie sans fil initialement proposé par Nikola Tesla au 19 e siècle. Il a utilisé le principe de l'induction électromagnétique, car nous savons que la loi de Faraday dit que si une seconde bobine est placée dans le champ magnétique de la première bobine, elle induit un courant électrique dans la seconde bobine, qui peut être utilisée pour diverses applications.
Figure. 1. Les lignes pointillées des champs magnétiques autour de deux bobines d'induction illustrent le principe de l'induction électromagnétique
De nos jours, si nous parlons de la portée du transfert sans fil, cela signifie exactement sur le dessus du chargeur. Le problème est que la force du champ magnétique généré par la bobine dans le chargeur est inversement proportionnelle à sa distance. Pour cette raison, le transfert sans fil fonctionne uniquement à une distance inférieure à 3 à 5 centimètres. En guise de solution, augmenter la taille de l'une des bobines ou le courant qu'elle contient, mais cela signifie un champ magnétique plus fort qui est potentiellement nocif pour les humains autour de l'appareil. En outre, certains pays ont des limites légales de puissance de rayonnement. Comme en Russie, la densité de rayonnement ne doit pas dépasser 10 microwatts par centimètre carré autour de la tour cellulaire.
Transmission de puissance via un milieu aérien
Le transfert d'énergie sans fil est possible par diverses méthodes telles que le transfert d'énergie en champ lointain, le faisceau de puissance et l'utilisation de deux antennes, dont l'une envoie de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques à l'autre, qui convertit davantage le rayonnement en courants électriques. L'antenne émettrice ne peut pas être grandement améliorée, car elle ne génère essentiellement que des ondes. L'antenne de réception a beaucoup plus de domaines à améliorer. Il n'absorbe pas tout le rayonnement incident mais en émet une partie vers l'arrière. Généralement, la réponse de l'antenne est déterminée par deux paramètres clés: le temps de décroissance τF et τw en rayonnement d'espace libre et dans le circuit électrique respectivement. Le rapport entre ces deux valeurs définit la quantité d'énergie transportée par une onde incidente qui est «extraite» par l'antenne de réception.
Figure 2. Antenne de réception. SF désigne le rayonnement incident, tandis que sw− est l'énergie qui va finalement dans le circuit électrique et sw + est le signal auxiliaire. Crédit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Cependant, le récepteur transmet un signal auxiliaire à l'antenne et la phase et l'amplitude du signal correspondent à celles de l'onde incidente, ces deux vont interférer, modifiant potentiellement la proportion d'énergie extraite. Cette configuration est discutée dans l'article qui a rapporté dans cette histoire, qui a été rédigé par une équipe de chercheurs du MIPT de Denis Baranov et dirigée par Andrea Alu.
Exploiter les interférences pour amplifier les ondes
Avant de mettre en œuvre leur configuration de transmission de puissance proposée dans une expérience, les physiciens ont théoriquement estimé quelle amélioration sur une antenne passive régulière elle pourrait offrir. Il s'est avéré que si la condition d'appariement conjugué est remplie en premier lieu, il n'y a aucune amélioration: l'antenne est parfaitement réglée pour commencer. Cependant, pour une antenne désaccordée dont les temps de décroissance diffèrent significativement - c'est-à-dire lorsque τF est plusieurs fois plus grande que τw, ou inversement - le signal auxiliaire a un effet notable. En fonction de sa phase et de son amplitude, la proportion d'énergie absorbée peut être plusieurs fois supérieure par rapport à une même antenne désaccordée en mode passif. En fait, la quantité d'énergie absorbée peut être aussi élevée que celle d'une antenne accordée (voir figure 3).
Figure 3. Le graphique en (a) montre comment la différence entre la puissance reçue et consommée, connue sous le nom de bilan énergétique Σ, dépend de la puissance du signal auxiliaire pour une antenne désaccordée avec τw 10 fois supérieur à τF. La zone ombrée orange couvre la plage des déphasages possibles entre l'onde incidente et le signal. La ligne en pointillés représente la même dépendance pour une antenne dont les paramètres τF et τw sont égaux, c'est-à-dire une antenne accordée. Le graphique (b) montre le facteur de rehaussement - le rapport entre le bilan énergétique maximal Σ et le bilan énergétique d'une antenne passive désaccordée - en fonction du rapport entre les temps de décroissance de l'antenne τF / τw. Crédit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Pour confirmer leurs calculs théoriques, les chercheurs ont modélisé numériquement une antenne dipôle de 5 centimètres de long connectée à une source d'alimentation et l'ont irradiée avec des ondes de 1,36 gigahertz. Pour cette configuration, la dépendance du bilan énergétique sur la phase et l'amplitude du signal (figure 4) coïncidait généralement avec les prévisions théoriques. Fait intéressant, l'équilibre a été maximisé pour un déphasage nul entre le signal et l'onde incidente. L'explication offerte par les chercheurs est la suivante: en présence du signal auxiliaire, l'ouverture effective de l'antenne est améliorée, de sorte qu'elle recueille plus d'énergie de propagation dans le câble. Cette augmentation de l'ouverture est évidente à partir du vecteur de Poynting autour de l'antenne, qui indique la direction du transfert d'énergie du rayonnement électromagnétique (voir figure 5).
Figure 4. Résultats de calculs numériques pour divers déphasages entre l'onde incidente et le signal (comparer la figure 3a). Crédit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figure 5. Distribution vectorielle de Poynting autour de l'antenne pour un déphasage nul (à gauche) et un déphasage de 180 degrés (à droite). Crédit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
En plus des simulations numériques, l'équipe a réalisé une expérience avec deux adaptateurs coaxiaux, qui servaient d'antennes micro-ondes et étaient espacés de 10 centimètres. L'un des adaptateurs émettait des ondes avec des puissances d'environ 1 milliwatt, et l'autre tentait de les capter et de transmettre l'énergie dans un circuit via un câble coaxial. Lorsque la fréquence était réglée à 8 gigahertz, les adaptateurs fonctionnaient comme des antennes accordées, transférant l'alimentation sans pratiquement aucune perte (figure 6a). À des fréquences plus basses, cependant, l'amplitude du rayonnement réfléchi augmentait fortement et les adaptateurs fonctionnaient davantage comme des antennes désaccordées (figure 6b). Dans ce dernier cas, les chercheurs ont réussi à décupler la quantité d'énergie transmise à l'aide de signaux auxiliaires.
Figure 6. Dépendance de l'équilibre énergétique mesuré expérimentalement sur le déphasage et la puissance du signal pour une antenne accordée (a) et désaccordée (b). Crédit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
En novembre, une équipe de chercheurs comprenant Denis Baranov a théoriquement démontré qu'un matériau transparent peut être fabriqué pour absorber la plupart de la lumière incidente, si l'impulsion de lumière entrante a les bons paramètres (en particulier, l'amplitude doit croître de manière exponentielle). En 2016, des physiciens du MIPT, de l'Université ITMO et de l'Université du Texas à Austin ont développé des nano-antennes qui diffusent la lumière dans différentes directions en fonction de son intensité. Ceux-ci peuvent être utilisés pour créer des canaux de transmission et de traitement de données ultrarapides.
Source de nouvelles: MIPT