Pesquisadores de Stanford revelaram recentemente como funciona uma tecnologia de comunicação sem fio que aparentemente desafia as leis da física.

A nova tecnologia, chamada comunicação por ruído térmico, aproveita a estática de fundo que normalmente é a ruína dos sinais de rádio, celulares e outros sinais sem fio. Em um novo estudo publicado nos Anais da Academia Nacional de Ciências (Proceedings of the National Academy of Sciences) , a equipe mostrou como um transmissor pode enviar dados a um receptor sem nenhum sinal produzido ativamente, manipulando pequenas oscilações de voltagem.

As descobertas descrevem como o sistema funciona em um nível fundamental, abrindo caminho para aprimorar o modo de comunicação e determinar aplicações práticas para ele. "Construímos um sistema que outros poderiam implementar com muita facilidade", disse a autora sênior Zerina Kapetanovic , professora assistente de engenharia elétrica.

Em sua pesquisa anterior na Universidade de Washington, Kapetanovic estudou tecnologias de sensoriamento agrícola, o que a inspirou a buscar modos de baixo consumo de energia para retransmitir dados como os níveis de umidade do solo. Ela se perguntou se seria possível criar um dispositivo semelhante às etiquetas de identificação por radiofrequência (RFID) usadas em pedágios de rodovias, sem a necessidade de um sinal de rádio de alta potência para ser emitido.

Ela realizou um teste inicial de manipulação de ruído térmico, um ruído estático de fundo onipresente produzido pelas vibrações de elétrons em condutores elétricos. Dependendo da temperatura, as partículas oscilam mais rápido ou mais devagar, criando variações que equipamentos sensíveis conseguem captar. Os astrônomos podem, por exemplo, usar o ruído térmico emitido por planetas e estrelas distantes para estudá-los.

O experimento de Kapetanovic foi bem -sucedido : a informação do transmissor chegou ao receptor. Mas, curiosamente, funcionou mesmo com todo o sistema à temperatura ambiente. Ela se perguntou: como padrões de ruído distintos são produzidos sem diferenças de temperatura, aparentemente desafiando as leis da física?

Ela levou essa questão para Stanford, onde se juntou a seus alunos de pós-graduação – Geneva Ecola e Jida Zhang, coprimeiras autoras do artigo – e a Joseph Kahn , professor de engenharia elétrica.

Juntos, eles construíram uma configuração experimental para responder a essa pergunta. Os pesquisadores montaram uma câmara densamente isolada que outros sinais não conseguiam penetrar. Dentro dela, colocaram um transmissor e um receptor em uma plataforma de testes que permitia ajustar a distância entre os dois, possibilitando aos pesquisadores testar a velocidade com que o sistema conseguia enviar informações.

O transmissor, equipado com uma antena, alternava entre dois tipos de circuitos elétricos: um circuito aberto e um curto-circuito. Um circuito era associado ao número um, o outro ao zero, os bits fundamentais da informação computacional. O receptor amplificava o ruído térmico refletido pela antena para "enxergar" a informação.

Os experimentos mostraram que o sistema cria frequências de ruído que parecem "mais quentes" e "mais frias" para o receptor, sem diferenças reais de temperatura, permitindo que a informação seja distinguida como zeros e uns. Na extremidade do receptor, o amplificador funciona como um refrigerador de elétrons, diminuindo sua velocidade e fazendo com que o ruído térmico pareça mais frio. Enquanto isso, o transmissor alterna entre estados absorventes e reflexivos, coincidindo com os dois circuitos. Dependendo do estado do transmissor, o ruído que a antena reflete de volta para o receptor parece mais quente ou mais frio.

“O transmissor consegue modular um sinal entre temperaturas mais frias e mais quentes, mas faz isso sem resfriar nada”, disse Kahn. “É apenas um refletor.” A atividade é análoga à de um náufrago em uma ilha deserta usando um espelho de mão para refletir a luz e enviar um sinal, acrescentou ele.

Ao testar hipóteses com experimentos, a equipe derivou uma equação chamada modelo de canal, que define as variáveis fundamentais que governam o sistema. Os modelos de canal são usados em todas as formas de comunicação sem fio para projetar sistemas como redes de torres de celular. "Você precisa deles para qualquer tipo de sistema sem fio para entender e otimizar o sistema", disse Kapetanovic. "Quando você realmente entende como um sistema funciona, você pode otimizá-lo completamente e atingir o limite máximo de seu desempenho."

Foi exatamente isso que a equipe fez em seguida. Eles ajustaram a configuração com base no modelo e melhoraram a taxa de transferência de dados em 100 vezes.

Os pesquisadores estão agora testando como interligar vários transmissores em uma rede e como garantir que o sinal não se perca em ambientes ruidosos fora da caixa isolada.

O sistema pode ser uma opção atraente em qualquer lugar onde sejam necessárias quantidades relativamente pequenas de transferência de dados e a energia seja limitada. Um transmissor que utiliza radiofrequências consome até 1.000 vezes mais energia para enviar informações em comparação com um transmissor que utiliza apenas ruído térmico. "Gerar um sinal ativo consome muita energia e, em alguns ambientes, não se deseja interferência causada por esse sinal ativo", disse Zhang.

A comunicação por ruído térmico pode ser usada em conjunto com equipamentos sensíveis à radiação eletromagnética, como dispositivos médicos ou observatórios astronômicos, ou para sensoriamento ambiental.

“Esperamos que este sistema de comunicação não convencional possa desbloquear a comunicação sem fio onde ela não conseguiu chegar antes”, disse Ecola.