Une équipe de recherche internationale comprenant des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Université ITMO a proposé un moyen d'augmenter l'efficacité du transfert d'énergie sans fil sur de longues distances et l'a testé avec des simulations numériques et des expériences. Pour y parvenir, ils ont transmis de la puissance entre deux antennes, dont l'un était excité par un signal rétropropageant d'amplitude et de phase spécifiques. L'étude est détaillée dans un article publié dans Lettres d'examen physique et brièvement rapporté dans le journal de l'American Physical Society La physique .

"La notion d'absorbeur cohérent a été introduite dans un article publié en 2010. Les auteurs ont montré que l'interférence des ondes peut être utilisée pour contrôler l'absorption de la lumière et du rayonnement électromagnétique en général, " déclare Denis Baranov, doctorant au MIPT.

"Nous avons décidé de savoir si d'autres processus, comme la propagation des ondes électromagnétiques, peut être contrôlé de la même manière. Nous avons choisi de travailler avec une antenne pour le transfert de puissance 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 en charge à l'antenne de réception."

Bobines et transformateurs

Le transfert d'énergie sans fil a été proposé à l'origine par Nikola Tesla à la fin du XIXe siècle. Il a réussi à allumer des lampes fluorescentes et incandescentes à distance sans aucun fil reliant les lampes à un générateur. Pour réussir cet exploit, il a utilisé le principe de l'induction électromagnétique :lorsqu'un courant alternatif traverse une bobine, c'est-à-dire un conducteur enroulé en spirale autour d'un noyau en forme de cylindre - cela donne lieu à un champ magnétique alternatif à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la bobine. La loi de Faraday dit que si une seconde bobine est placée dans ce champ magnétique (figure 1), un courant électrique est induit dans cette autre bobine, qui peut ensuite être utilisé pour charger un accumulateur ou à toute autre fin.

Ce n'est peut-être pas évident, mais le transfert d'énergie sans fil est déjà largement utilisé. Par exemple, les bobines d'induction non connectées sont au cœur des transformateurs des téléviseurs, smartphone, lampes à économie d'énergie, les lignes électriques, etc. En augmentant ou en diminuant la tension alternative dans le réseau électrique et les appareils individuels, Les transformateurs permettent une transmission efficace de l'énergie et le fonctionnement de l'électronique grand public. Par ailleurs, une technologie analogue à celle proposée par Tesla a récemment été mise en œuvre dans les bornes de recharge sans fil pour téléphones et voitures électriques. La charge inductive commence à fonctionner dès qu'une voiture électrique ou un téléphone prenant en charge la technologie entre à portée.

À ce jour, cependant, "à portée" signifie juste au-dessus du chargeur, et c'est l'une des principales lacunes de la technologie actuellement disponible. Le problème est que la force du champ magnétique généré par la bobine dans le chargeur est inversement proportionnelle à la distance de celle-ci, c'est-à-dire le champ s'estompe rapidement avec la distance. Donc la deuxième bobine, qui est intégré à l'appareil, doit être assez proche pour qu'un courant perceptible soit induit. C'est pourquoi les noyaux magnétiques sont utilisés pour confiner et guider les champs magnétiques dans les transformateurs. Et c'est aussi pourquoi les chargeurs sans fil fonctionnent sur des distances inférieures à 3 à 5 centimètres. Cette gamme pourrait, bien sûr, être amélioré en augmentant la taille de l'une des bobines ou le courant qu'elle contient, mais cela signifierait des champs magnétiques plus forts potentiellement nocifs pour les humains autour des appareils. Dans la plupart des pays, il y a une limite légale sur la puissance de rayonnement. Par exemple, en Russie, la densité de rayonnement autour des tours cellulaires ne peut pas dépasser 10 microwatts par centimètre carré.

Transmission de la puissance par voie aérienne

Il existe d'autres moyens de transmettre de l'énergie sans fil qui fonctionnent sur de plus longues distances. Ces techniques, connu sous le nom de transfert d'énergie en champ lointain, ou faisceau de puissance, utiliser deux antennes, dont l'un envoie de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques à l'autre, qui convertit ensuite le rayonnement en courants électriques. L'antenne d'émission ne peut pas être sensiblement améliorée, parce qu'il ne génère essentiellement que des vagues. L'antenne de réception, par contre, a beaucoup plus de place pour l'amélioration.

Surtout, l'antenne de réception n'absorbe pas tout le rayonnement incident mais en renvoie une partie. En général, la réponse de l'antenne est déterminée par deux paramètres clés :les temps de décroissance τF et τw dans le rayonnement de l'espace libre et dans le circuit électrique, respectivement. Ces temps de décroissance indiquent combien de temps il faut pour que l'amplitude d'une onde soit diminuée d'un certain facteur - généralement le nombre e est utilisé. Le rapport entre ces deux valeurs détermine quelle part de l'énergie transportée par une onde incidente est « extraite » par l'antenne de réception. Lorsque les deux temps de décroissance sont égaux, une quantité maximale d'énergie est extraite. Si τF est inférieur à τw, la reradiation commence trop tôt. Inversement, si τF est supérieur à τw, l'antenne est trop lente pour absorber le rayonnement incident. Quand les deux temps sont égaux, les ingénieurs disent que la condition d'appariement conjugué a été remplie. En d'autres termes, l'antenne est réglée. Bien que les antennes soient fabriquées avec cette condition à l'esprit, atteindre une précision absolue est assez difficile. Par ailleurs, même une antenne parfaite peut facilement être désaccordée en raison d'un changement de température, réflexions du signal provenant du terrain, et d'autres facteurs externes. Finalement, la quantité d'énergie absorbée dépend également de la fréquence de rayonnement et est maximisée pour les ondes dont les fréquences correspondent à la fréquence de résonance de l'antenne.

Surtout, ce qui précède n'est vrai que pour une antenne passive. Si, cependant, le récepteur renvoie un signal auxiliaire à l'antenne et l'amplitude et la phase du signal correspondent à celles de l'onde incidente, les deux vont interférer, modifier potentiellement la proportion d'énergie extraite. Cette configuration est discutée dans l'article rapporté dans cette histoire, qui a été rédigé par une équipe de chercheurs comprenant Denis Baranov du MIPT et dirigé par Andrea Alù.

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 l'amélioration qu'elle pouvait apporter par rapport à une antenne passive ordinaire. 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 considérablement, c'est-à-dire lorsque τF est plusieurs fois plus grand que τw, ou l'inverse, le signal auxiliaire a un effet notable. Selon sa phase et son amplitude, la proportion d'énergie absorbée peut être plusieurs fois supérieure par rapport à la même antenne désaccordée en mode passif. En réalité, la quantité d'énergie absorbée peut atteindre celle d'une antenne accordée.

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 vis-à-vis de la phase et de l'amplitude du signal coïncidait généralement avec les prédictions théoriques. De façon intéressante, l'équilibre a été maximisé pour un déphasage nul entre le signal et l'onde incidente. L'explication proposée par les chercheurs est la suivante :En présence du signal auxiliaire, l'ouverture effective de l'antenne est améliorée, il recueille donc 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.

En plus des simulations numériques, l'équipe a réalisé une expérience avec deux adaptateurs coaxiaux, qui servaient d'antennes micro-ondes et étaient positionnées à 10 centimètres l'une de l'autre. L'un des adaptateurs rayonnait des ondes avec des puissances d'environ 1 milliwatt, et l'autre a tenté de les ramasser et de transmettre l'énergie dans un circuit via un câble coaxial. Lorsque la fréquence a été réglée sur 8 gigahertz, les adaptateurs fonctionnaient comme des antennes accordées, transfert de puissance pratiquement sans pertes. A des fréquences plus basses, cependant, l'amplitude du rayonnement réfléchi a fortement augmenté, et les adaptateurs fonctionnaient plus comme des antennes désaccordées. Dans le dernier cas, les chercheurs ont réussi à multiplier par dix la quantité d'énergie transmise à l'aide de signaux auxiliaires.

En novembre, une équipe de chercheurs dont Denis Baranov a théoriquement démontré qu'un matériau transparent peut être fabriqué pour absorber la majeure partie de la lumière incidente, si l'impulsion lumineuse entrante a les bons paramètres (en particulier, l'amplitude doit croître de façon exponentielle). De retour en 2016, physiciens du MIPT, Université ITMO, et l'Université du Texas à Austin a développé des nanoantennes 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.