超越反激光可以实现远程无线电力传输

   化学小能手        


自1891年尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)用他的线圈向四面八方喷射电力以来,科学家们一直在思考通过空气输送电力的方法。我们的梦想是为你的手机或笔记本电脑,甚至是像起搏器这样的医疗设备充电,而不需要电线和插头。棘手的是如何让电力找到预定目标,并让目标吸收电力,而不是仅仅将其反射回空气——最好在不危及途中任何人的情况下做到这一点。


超越反激光可以实现远程无线电力传输


如今,您可以将智能手机放在充电站的一英寸范围内以无线方式对其进行充电。但是,从房间的一侧到另一侧甚至整个建筑物的可用远程无线功率传输仍在进行中。当前正在开发的大多数方法都涉及聚焦窄能量束并将其瞄准其预期目标。这些方法已经取得了一些成功,但是到目前为止还不是很有效。聚焦的电磁束在空中飞来飞去令人不安。


现在,马里兰大学(UMD)的一组研究人员与康涅狄格州卫斯理大学的同事合作,开发了一种改进的无线电力传输技术,该技术可以保证在没有狭窄聚焦和定向能量的情况下进行长距离电力传输梁。他们的结果扩大了先前技术的适用性,并于2020年11月17日发表在《自然通讯》杂志上。


该团队推广了一个称为“反激光”的概念。在激光中,一个光子触发一束级联的许多相同颜色的光子,并在相干光束中射出。在反激光中,情况相反。反激光不会增加光子的数量,而是相干且完美地吸收许多精确调谐的光子束。这有点像激光在时间上倒退。


这项由UMD物理学教授史蒂芬·安拉奇(Steven Anlage)的量子材料中心(QMC)领导的新研究表明,有可能在原始的时间反转激光框架之外设计出一个相干的完美吸收体,从而可以缓解一些关键的约束条件。早期的工作。他们没有选择定向光束沿直线传播到吸收目标的方法,而是选择了无序且不宜向后移动的几何形状。


“我们希望在没有约束的完全普通的环境中看到这种效果,”安拉奇说。“我们想要一种随机,任意,复杂的环境,我们希望在那些真正苛刻的情况下实现完美吸收。这就是这样做的动机,我们做到了。”


Anlage和他的同事们想要创建一种可以从更扩散的能量源接收能量的设备,这种能量可以减少光束并增加沐浴力。在应对无线挑战之前,他们将通用抗激光设备设置为迷宫式电线,以使电磁波能够通过。具体来说,他们使用了微波,这是功率传输应用中的常见候选对象。迷宫由一堆电线和盒子组成,这些电线和盒子以故意无序的方式连接。穿过迷宫的微波会纠结在一起,以至于即使可以逆转时间,这也不会解开它们。


迷宫之中埋藏着一个吸收器,是向其传递能量的目标。该团队将不同频率,振幅和相位的微波发送到迷宫中,并测量了它们的转换方式。基于这些测量,他们能够计算出输入微波的确切特性,从而可以将功率完美地传递到吸收器。他们发现,对于正确选择的输入微波,迷宫吸收了发送到其中的空前的99.999%的功率。这清楚地表明,即使没有激光向后移动,也可以实现相干的完美吸收。


然后,团队朝着无线功率传输迈出了一步。他们在一个空腔中重复了该实验,空腔是一个黄铜板,在每个方向上都长了几英尺,中间有一个形状奇怪的孔。孔的形状经过精心设计,以使微波以一种无法预测的,混乱的方式在孔周围反弹。他们在腔体内放置了一个功率吸收器,并向其中的微波发送微波,使其在内部的开放空间周围反弹。他们能够找到正确的微波输入条件,以99.996%的效率实现连贯的完美吸收。


法国和奥地利的团队合作进行的最新工作也证明了他们自己无序的微波迷宫具有连贯完美的吸收效果。但是,他们的实验并不像Anlage和同事的新作品那样笼统。在以前的工作中,进入迷宫的微波仍将被假设的时间逆转所纠缠。这看起来似乎是一个微妙的区别,但是作者说,证明相干完美吸收不需要在环境中进行任何排序,从而保证了几乎在任何地方都适用。


以这种方式对以前的技术进行概括会引起听起来像科幻小说的想法,例如能够以近乎完美的效率对复杂环境(例如办公楼)中的任何物体进行无线和远程充电。这样的方案将要求将电力的频率,幅度和相位定制地调谐到特定目标。但是,无需将高功率光束聚焦在笔记本电脑或手机上,电波本身将被设计用来找到他们选择的目标。


UMD的电气和计算机工程专业研究生,论文的主要作者雷琛说:“如果我们要向其供电的物体,我们将首先使用我们的设备来测量系统的某些性能。”


“基于这些特性,我们可以获得这种系统的独特微波信号。它将被物体完美吸收。对于每个独特的物体,信号都会有所不同并经过特殊设计。”


尽管这项技术显示出了巨大的希望,但在无线和无插头办公室问世之前,还有许多工作要做。完美的吸收器至关重要地取决于为吸收器调整的功率。环境的轻微变化(例如移动目标笔记本电脑或举起房间的百叶窗)将需要立即重新调整所有参数。因此,将需要一种方法,可以在不使用过多功率或带宽的情况下,快速有效地找到合适的条件,以实现完美的动态吸收。另外,需要做更多的工作来确定这种技术在现实环境中的功效和安全性。


即使现在还不该丢弃所有电源线,但在许多方面都可以派上用场的完美吸收效果。它不仅对任何种类的目标都是通用的,而且也不限于光学或微波。“这不是一种特定的技术,” Anlage说,“这是一种非常普遍的波动现象。事实上,它是在微波中完成的,这仅仅是因为这是我实验室的强项。在声学方面,您可以用物质波来做到这一点,也可以用冷原子来做到这一点。您可以在很多很多不同的情况下做到这一点。”


除了Chen和Anlage之外,卫斯理大学的Tsampikos Kottos也是该论文的合著者。

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