Микроволновой хаос
может обеспечить беспроводную передачу энергии
с потерями в тысячную процента.
Уже около 130 лет, а точнее с 1891 года, – с тех самых пор, как Никола Тесла провёл опыты со своей катушкой, испускавшей молнии электричества во всех направлениях, – учёные ищут способы передачи электроэнергии по воздуху. И разве может теперь пресловутый морганский вопрос «куда мы поставим счётчик?» остановить пытливый ум, если этот самый ум уже не одинок? Наверное, главная заслуга великого учёного и изобретателя как раз в том и состоит, что, будучи первопроходцем и «одним-в-поле-не-воином», он сумел разжечь интерес у коллег и потомков к технологическим решениям на грани фантастики. И теперь человечество не просто мечтает заряжать телефоны, ноутбуки (или даже медицинские устройства вроде кардиостимуляторов) без проводов и розеток, но старается решить возникающие при этом сложности: как заставить заряд электричества найти намеченную цель; как заставить эту цель поглощать его, а не отражать обратно; как сделать эту передачу безопасной для нас и животных от поражений электротоками на всём протяжении их пути? Задач много, но теперь – да здравствуют первопроходцы! – новые поколения учёных превращают тропинку в международную магистраль.
И вот сейчас мы живём во времена, когда зарядить смартфон по беспроводной сети на расстоянии дюйма от источника – уже вполне обычное дело. Но передать энергию без использования кабельной электропроводки из одного конца квартиры в другой и уж тем более через здание, – всё ещё недоступная технология. Большинство разработанных уже методов заключаются в фокусировке узких лучей энергии и их «наведении на цель». Эти способы демонстрируют некоторый успех, но пока не очень эффективны. Да и летающие вокруг сфокусированные электромагнитные лучи, мягко говоря, тревожат.
Что касается классических технологий на волновой основе, то схемы формирования эффективного распределения энергии по целям, да ещё и с минимальными потерями – постоянная проблема для них. Они относятся к телекоммуникациям следующего поколения, беспроводной передаче энергии на большие расстояния и электромагнитному оружию. Очень часто соответствующие устройства встроены в сложные корпуса без какой-то симметрии (геометрической или скрытой), будучи крайне зависимыми от её нарушений, когда сверхчувствительность ко множественным помехам на пути прохождения сигнала ставит под угрозу саму жизнеспособность протоколов формирования волновой передачи.
Однако группа исследователей из университетов Мэриленда и Уэслиан (США) разработала улучшенный метод беспроводной передачи энергии без прицельных и очень плотно сфокусированных лучей. Результаты их исследований, которые расширяют применимость беспроводной энерготрансляции до больших расстояний, опубликованы 17 ноября года в журнале Nature Communications.
Новые герои стоят на плечах предыдущих. И в этот раз команда воспользовалась уже известной ранее концепцией, называемой «антилазер».
Для понимания: в лазере один фотон запускает каскад из множества фотонов одного цвета, вылетающих цельным лучом, обладающим когерентными свойствами (то есть с постоянной во времени разностью фаз и одинаковой частотой). А вот в антилазере происходит обратное, будто работа лазерной установки происходит вспять во времени. Другими словами, вместо увеличения и излучения количества фотонов, антилазер (опять же – когерентно и идеально) поглощаетпучок множества точно настроенных фотонов. Этакий «лазер наоборот».
Возглавляемое Стивеном Анлэйджем из Центра квантовых материалов (QMC), профессором физики из университета Мэриленда, исследование демонстрирует возможность создания когерентного идеального поглотителявне исходной структуры обращённого во времени лазера, что фактически, если не снимает, то очень ослабляет некоторые ключевые ограничения более ранних разработок. Вместо упора на прямолинейное движение направленных лучей в поглощающую мишень, выбор пал на геометрию беспорядочного движения фотонов вокруг неё, в которой обратный ход (вспять во времени) был бы невозможным даже теоретически.
«Мы хотели увидеть этот эффект в совершенно общей среде, где нет ограничений, – говорит Анлэйдж. – Мы хотели создать своего рода случайную, произвольную, сложную среду, и мы хотели, чтобы происходило идеальное поглощение в этих действительно сложных обстоятельствах. Такова была мотивация, и мы это сделали».
Целью коллектива стало создание такого устройства, которое могло бы получать энергию от более рассеянного источника, то есть от чего-то менее концентрированного (сфокусированного), чем луч, но более насыщенного, как богатый влагой воздух бани. Прежде всего прочего, на основе часто используемых в передаче энергии микроволн, учёные создали свой универсальный антилазер в виде лабиринта из электромагнитных проводников. В частности, он сконструирован из намеренно беспорядочной связки проводов и ящиков так, чтобы пропускаемые через неё микроволны, запутались бы настолько, что даже чисто гипотетическая возможность повернуть время вспять всё равно не распутала бы их.
В сердце установки, посреди этого лабиринта, поместили поглотитель энергии – ту самую цель, на которую нужно было наводить луч в лазерных вариантах технологии. Путём замеров и изучения трансформации отправленного в лабиринт микроволнового излучения различной частоты, амплитуды и фазы, были найдены точные свойства входящих сигналов, идеальные для передачи энергии на поглотитель. Обнаружено, что для правильно выбранных входящих микроволн лабиринт поглощал беспрецедентные 99,999% энергии, посланных в лабиринт. Это значит, что когерентное идеальное поглощение энергии может быть достигнуто даже без прицельного лазерного залпа по поглотителю.
Затем команда сделала шаг в сторону беспроводной передачи. Для этого эксперимент был повторно проведён в установке с латунной пластиной в несколько футов с отверстием странной формы посередине. Форма отверстия была спроектирована таким образом, чтобы отражение микроволн происходило хаотично, непредсказуемым образом. Помещённый внутри установки поглотитель взаимодействовал с отражающимися внутри открытого пространства микроволнами, что и позволило найти правильные входные условия для когерентного поглощения с почти стопроцентной эффективностью в 99,996%. Почти идеал.
Как это часто бывает в научном мире, герои сегодняшней статьи – далеко не единственный коллектив, занимающийся развитием этого метода. Недавняя работа группы исследователей из Франции и Австрии, также демонстрирует когерентное идеальное поглощение в их собственном неупорядоченном микроволновом лабиринте. Однако тот эксперимент был более специальным, не таким общим, как новая работа профессора Анлэйдж и его коллег. Тогда микроволны, входящие в лабиринт, все ещё могли бы быть распутаны гипотетическим обращением времени. Конечно, это может показаться тонким различием, но авторы утверждают, что доказанная и показанная сейчас неприхотливость когерентного совершенного поглощения к какому-либо порядку в окружающей среде обещает применимость этой модели передачи энергии по воздуху практически везде, в любых обычных условиях.
Таким образом обобщение знаний и методов предыдущих исследований и разработок предлагает идеи, приближающие нас к научной фантастике. Это, например, делает возможной беспроводную и удалённую зарядку любого объекта с почти идеальной эффективностью даже в сложной среде вроде офисного здания. Только представьте: у вас дела на другом этаже, и вам нужно оставаться на связи, а смартфон вот-вот выключится, но вдруг оказывается, что вы больше не привязаны к розетке – вы бегаете по кабинетам с почти «севшим» устройством в руке, а его аккумулятор тем временем преспокойно заряжается. Да, такие схемы потребуют, чтобы частота, амплитуда и фаза электроэнергии настраивались индивидуально для конкретных целей-устройств. Но, тем не менее, уже не будет необходимости фокусировать мощный луч и направлять его на ноутбук или телефон –электрические волны сами сумеют обнаружить выбранную цель.
«Если у нас есть объект, к которому мы хотим подавать электроэнергию, мы сначала будем использовать наше оборудование для измерения некоторых свойств системы, – поясняет Лей Чен, аспирант по электротехнике и компьютерной инженерии в университете Мэриленда и ведущий автор статьи. – Основываясь на этих свойствах, мы можем получить уникальные микроволновые сигналы для такого типа системы. И они будут идеально поглощаться объектом. Для каждого уникального объекта сигналы будут разными и разработаны специально».
Хотя этот метод является многообещающим и заставляет нас предвкушать воплощение самых смелых идей, на самом деле ещё очень многое предстоит сделать до появления беспроводных офисов и офисов без подключаемых модулей. Например, нужно решить проблему острой зависимости идеального поглотителя от подаваемой на него мощности – она очень индивидуальна. Небольшое изменение окружающей среды также может стать проблемой – например, перемещение целевого ноутбука или поднятие жалюзи в комнате потребует немедленной перенастройки всех параметров, так что бег по этажам с заряжающимся смартфоном – всё ещё далёкая перспектива.
Таким образом, должен быть найден способ быстро и эффективно найти правильные условия для идеального поглощения «на ходу», без использования слишком большой мощности или полосы пропускания. Кроме того, необходимо провести дополнительную работу, чтобы определить эффективность и безопасность этого метода в реальных условиях.
Но несмотря на то, что выбрасывать зарядные устройства ещё рано, когерентное идеальное поглощение может пригодиться во многих отношениях. Этот способ не только универсален для любых целей, но и не ограничивается микроволновой или оптической передачей энергии.
«Это не связано с какой-то одной конкретной технологией, – говорит Анлэйдж, – это очень общее волновое явление. И тот факт, что это сделано в микроволнах, объясняется тем, что сильные стороны моей лаборатории именно в этом. Но вы могли бы всё это сделать с акустикой, волнами материи, с холодными атомами. Вы могли бы сделать это во многих, многих различных контекстах».