Устройство передает радиоволны практически без мощности — не нарушая законов физики

Новый сверхмаломощный способ связи на первый взгляд кажется нарушающим законы физики. Можно передавать информацию по беспроводной сети, просто открывая и закрывая переключатель, который соединяет резистор с антенной. Нет необходимости подавать питание на антенну.

Новая система в сочетании с методами сбора энергии из окружающей среды может привести к созданию всевозможных устройств, передающих данные, включая крошечные датчики и имплантированные медицинские устройства , без необходимости использования батарей или других источников питания. К ним относятся датчики для интеллектуального сельского хозяйства , электроника, имплантированная в тело, которая никогда не требует замены батареи, улучшенные бесконтактные кредитные карты и, возможно, даже новые способы связи со спутниками .

Помимо энергии, необходимой для переключения выключателя, для передачи информации не требуется никакой другой энергии. В нашем случае переключатель представляет собой транзистор, электрически управляемый переключатель без движущихся частей, который потребляет незначительное количество энергии.

В простейшей форме обычного радио переключатель подключает и отключает источник сильного электрического сигнала —  генератор, который создает синусоидальную волну, колеблющуюся 2 миллиарда раз в секунду, — к передающей антенне . Когда источник сигнала подключен, антенна излучает радиоволну, обозначающую 1. Когда переключатель отключен, радиоволна отсутствует, что обозначает 0.

Ученые показали, что источник сигнала с питанием не нужен. Вместо этого случайный тепловой шум, присутствующий во всех электропроводных материалах из-за движения электронов под действием тепла, может заменить сигнал, управляющий антенной.

Во время рецензирования статьи об этом исследовании, недавно опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences , рецензенты попросили объяснить, почему метод не нарушает второй закон термодинамики , основной закон физики, объясняющий, почему вечные двигатели невозможны.

Вечные двигатели — это теоретические машины, которые могут работать бесконечно долго, не требуя энергии от какого-либо внешнего источника. Рецензенты беспокоились, что если бы можно было отправлять и получать информацию без компонентов с питанием и с передатчиком и приемником при одинаковой температуре, это означало бы, что вы могли бы создать вечный двигатель. Поскольку это невозможно, это означало бы, что что-то не так с работой устройства.

Один из способов сформулировать второй закон состоит в том, что тепло самопроизвольно перетекает только от более горячих объектов к более холодным объектам. В данном случае беспроводные сигналы от передатчика переносят тепло. Если бы был спонтанный поток сигнала от передатчика к приемнику при отсутствии разницы температур между ними, вы могли бы собрать этот поток, чтобы получить бесплатную энергию, в нарушение второго закона.

Разрешение этого кажущегося парадокса состоит в том, что приемник в новой системе работает как холодильник. Электроны, несущие сигнал на приемной стороне, эффективно охлаждаются мощным усилителем, подобно тому, как холодильник сохраняет холод внутри, непрерывно откачивая тепло. Передатчик почти не потребляет энергии, но приемник потребляет значительную мощность, до 2 Вт. Это похоже на приемники в других системах связи со сверхмалым энергопотреблением. Почти все потребление энергии происходит на базовой станции, которая не имеет ограничений на использование энергии.

Более простой подход

Многие исследователи во всем мире изучают родственные методы пассивной связи, известные как обратное рассеяние . Передатчик данных обратного рассеяния очень похож на новое устройство передатчика данных. Отличие состоит в том, что в системе связи с обратным рассеянием помимо передатчика данных и приемника данных имеется третий компонент, генерирующий радиоволну. Переключение, выполняемое передатчиком данных , приводит к отражению этой радиоволны, которая затем улавливается приемником.

Устройство обратного рассеяния имеет такую ​​же энергоэффективность, как и новая система, но установка обратного рассеяния намного сложнее, поскольку необходим компонент, генерирующий сигнал . Однако новая система имеет более низкую скорость передачи данных и дальность действия, чем радиостанции с обратным рассеянием или обычные радиостанции.

Что дальше

Одной из областей будущей работы является улучшение скорости передачи данных и дальности действия системы, а также ее тестирование в таких приложениях, как имплантированные устройства. Для имплантированных устройств преимущество нового метода заключается в том, что нет необходимости подвергать пациента сильному внешнему радиосигналу, который может вызвать нагрев тканей.

Эта работа может привести к новым связям между изучением тепла (термодинамика) и изучением коммуникации (теория информации). Эти поля часто рассматриваются как аналогичные, но эта работа предлагает некоторые более буквальные связи между ними.

Дополнительная информация: Зерина Капетанович и др., Связь с помощью модулированного шума Джонсона, Труды Национальной академии наук (2022 г.). DOI: 10.1073/pnas.2201337119

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com