モスクワ物理技術研究所とITMO大学の研究者と科学者は、長距離でのワイヤレス電力伝送の効率を高める方法を紹介しています。
MIPTとITMO大学の研究者チームは、数値シミュレーションと実験でそれをテストしました。これを達成するために、彼らは2つのアンテナ間で電力を送信しました。その結果、そのうちの1つは、特定の振幅と位相のバックプロパゲーション信号で励起されました。
「コヒーレント吸収体の概念は、2010年に発表された論文で紹介されました。著者は、波の干渉を使用して、一般に光と電磁放射の吸収を制御できることを示しました」と、MIPTの博士課程の学生であるデニスバラノフは回想します。
「電磁波伝搬などの他のプロセスも同じように制御できるかどうかを調べることにしました。このシステムはこの技術から大きな恩恵を受けるため、ワイヤレス電力伝送用のアンテナを使用することにしました」と彼は言います。「まあ、充電バッテリーから受信電力の一部を受信アンテナに送り返すことで、電力伝送が実際に強化されることを知って、私たちは非常に驚きました。」
無線電力伝送元々 19にニコラ・テスラによって提案された番目の世紀。彼は電磁誘導の原理を使用しました。ファラデーの法則によれば、2番目のコイルを最初のコイルの磁場に配置すると、2番目のコイルに電流が誘導され、さまざまな用途に使用できます。
図。1. 2つの誘導コイルの周りの磁場の破線は、電磁誘導の原理を示しています
今日、ワイヤレス転送の範囲について言えば、まさに充電器の真上を意味します。問題は、充電器のコイルによって生成される磁場の強さが、それからの距離に反比例することです。このため、ワイヤレス転送は3〜5センチメートル未満の距離でのみ機能します。それに対する解決策として、コイルの1つのサイズまたはその中の電流を増やしますが、これは、デバイスの周囲の人間に潜在的に有害であるより強い磁場を意味します。また、放射線量に法的な制限がある国もあります。ロシアと同様に、放射線の密度はセルタワーの周囲で1平方センチメートルあたり10マイクロワットを超えてはなりません。
空気媒体を介した動力伝達
ワイヤレス電力伝送は、遠方界エネルギー伝送、電力ビームなどのさまざまな方法で可能であり、2つのアンテナを使用します。一方のアンテナは、電磁波の形でエネルギーを他方に送信し、放射をさらに電流に変換します。送信アンテナは基本的に波を発生させるだけなので、大幅に改善することはできません。受信アンテナには、改善の余地がはるかにあります。入射放射線のすべてを吸収するわけではありませんが、一部を逆放射します。一般に、アンテナの応答は、2つの重要なパラメータによって決定されます。自由空間放射と電気回路への減衰時間τFとτwです。これらの2つの値の比率は、入射波によって運ばれるエネルギーの量が受信アンテナによって「抽出」されることを定義します。
図2. 受信アンテナ。SFは入射放射線を示し、sw-は最終的に電気回路に入るエネルギーであり、sw +は補助信号です。クレジット：Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
ただし、受信機は補助信号をアンテナに送り返し、信号の位相と振幅は入射波のものと一致します。これら2つは干渉し、抽出されるエネルギーの比率を変える可能性があります。この構成については、MIPTのDenis Baranov研究者チームによって作成され、AndreaAluが率いるこの記事で報告された論文で説明されています。
干渉を利用して波を増幅する
実験で提案された送電構成を実装する前に、物理学者は理論的に、通常のパッシブアンテナでどのような改善が得られるかを推定しました。そもそも共役整合条件が満たされた場合、何の改善も見られないことが判明しました。アンテナは最初から完全に調整されています。ただし、減衰時間が大幅に異なる離調アンテナの場合、つまり、τFがτwの数倍大きい場合、またはその逆の場合、補助信号は顕著な影響を及ぼします。その位相と振幅に応じて、吸収されるエネルギーの割合は、パッシブモードの同じ離調アンテナと比較して数倍大きくなる可能性があります。実際、吸収されるエネルギーの量は、調整されたアンテナの量と同じくらい高くなる可能性があります（図3を参照）。
図3. （a）のグラフは、エネルギーバランスΣとして知られる受信電力と消費電力の差が、τWがτFの10倍の離調アンテナの補助信号電力にどのように依存するかを示しています。オレンジ色の網掛け部分は、入射波と信号の間で発生する可能性のある位相シフトの範囲をカバーしています。破線は、τFパラメータとτwパラメータが等しいアンテナ、つまり調整されたアンテナの同じ依存関係を表しています。グラフ（b）は、アンテナ減衰時間τF/τwの比率の関数としての増強係数（最大エネルギーバランスΣとパッシブ離調アンテナのエネルギーバランスの比率）を示しています。クレジット：Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
理論計算を確認するために、研究者たちは、電源に接続された長さ5センチのダイポールアンテナを数値的にモデル化し、1.36ギガヘルツの波を照射しました。この設定では、信号の位相と振幅に対するエネルギーバランスの依存性（図4）は、一般に理論上の予測と一致していました。興味深いことに、信号と入射波の間の位相シフトがゼロの場合、バランスが最大化されました。研究者によって提供された説明はこれです：補助信号の提示では、アンテナの有効開口が強化されるので、それはケーブルにより多くの伝播エネルギーを集めます。この開口の増加は、電磁放射エネルギー伝達の方向を示すアンテナ周辺のポインティングベクトルから明らかです（図5を参照）。
図4. 入射波と信号の間のさまざまな位相シフトの数値計算の結果（図3aと比較）。クレジット：Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
図5. ゼロ位相シフト（左）と180度の位相シフト（右）のアンテナ周辺のポインティングベクトル分布。クレジット：Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
チームは、数値シミュレーションに加えて、マイクロ波アンテナとして機能し、10センチメートル離れて配置された2つの同軸アダプターを使用して実験を行いました。アダプターの1つは、約1ミリワットの電力で波を放射し、もう1つは、それらを拾い上げて、同軸ケーブルを介して回路にエネルギーを送信しようとしました。周波数を8ギガヘルツに設定すると、アダプターは調整されたアンテナとして動作し、実質的に損失なしで電力を転送しました（図6a）。ただし、より低い周波数では、反射放射の振幅が急激に増加し、アダプターは離調アンテナのように機能しました（図6b）。後者の場合、研究者たちは補助信号の助けを借りて、送信されるエネルギーの量をほぼ10倍に増やすことができました。
図6. 調整された（a）アンテナと調整されていない（b）アンテナの位相シフトと信号電力に対する実験的に測定されたエネルギーバランスの依存性。クレジット：Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
11月、Denis Baranovを含む研究者チームは、入射光のパルスに適切なパラメータがあれば（具体的には、振幅が指数関数的に増加する必要がある場合）、ほとんどの入射光を吸収する透明な材料を作成できることを理論的に示しました。2016年に、MIPT、ITMO大学、テキサス大学オースティン校の物理学者が、強度に応じてさまざまな方向に光を散乱させるナノアンテナを開発しました。これらは、超高速のデータ送信および処理チャネルを作成するために使用できます。
ニュースソース：MIPT