Tecnologia Científica

Ir além do anti-laser pode permitir a transferência de energia sem fio de longo alcance
Em vez de assumir feixes direcionados viajando ao longo de linhas retas em um alvo de absorção, eles escolheram uma geometria que era desordenada e incapaz de retroceder no tempo.
Por Dina Genkina - 19/11/2020



Arcos de eletricidade gerados por uma bobina de Tesla. Crédito: Airarcs / CC BY-SA 3.0

Desde que Nikola Tesla vomitou eletricidade em todas as direções com sua bobina em 1891, os cientistas têm pensado em maneiras de enviar energia elétrica pelo ar. O sonho é carregar seu celular ou laptop, ou talvez até mesmo um dispositivo de saúde como um marca-passo, sem a necessidade de fios e plugues. A parte complicada é fazer com que a eletricidade encontre o alvo pretendido e fazer com que esse alvo absorva a eletricidade em vez de apenas refleti-la de volta no ar - tudo de preferência sem colocar ninguém em perigo ao longo do caminho.

Hoje em dia, você pode carregar um smartphone sem fio colocando-o a uma polegada de uma estação de carga. Mas a transferência de energia sem fio de longo alcance utilizável, de um lado a outro de uma sala ou mesmo através de um edifício, ainda é um trabalho em andamento. A maioria dos métodos atualmente em desenvolvimento envolve focalizar feixes estreitos de energia e direcioná-los para o alvo pretendido. Esses métodos tiveram algum sucesso, mas até agora não são muito eficientes. E ter focado feixes eletromagnéticos voando pelo ar é perturbador.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Maryland (UMD), em colaboração com um colega da Wesleyan University em Connecticut, desenvolveu uma técnica aprimorada para tecnologia de transferência de energia sem fio que pode prometer transmissão de energia de longo alcance sem energia estritamente focada e direcionada feixes. Seus resultados, que ampliam a aplicabilidade de técnicas anteriores, foram publicados em 17 de novembro de 2020 na revista Nature Communications .

A equipe generalizou um conceito conhecido como "anti-laser". Em um laser, um fóton dispara uma cascata de muitos fótons da mesma cor disparando em um feixe coerente. Em um anti-laser, ocorre o inverso. Em vez de aumentar o número de fótons, um anti-laser absorve de forma coerente e perfeita um feixe de muitos fótons ajustados com precisão. É como um laser correndo para trás no tempo.

O novo trabalho, liderado pelo Professor de Física da UMD Steven Anlage do Quantum Materials Center (QMC), demonstra que é possível projetar um absorvedor perfeito coerente fora da estrutura original do laser reverso no tempo - um relaxamento de algumas das principais restrições em trabalho anterior. Em vez de assumir feixes direcionados viajando ao longo de linhas retas em um alvo de absorção, eles escolheram uma geometria que era desordenada e incapaz de retroceder no tempo.

“Queríamos ver esse efeito em um ambiente totalmente geral, onde não houvesse restrições”, diz Anlage. "Queríamos um tipo de ambiente aleatório, arbitrário e complexo, e queríamos fazer com que a absorção perfeita acontecesse nessas circunstâncias realmente exigentes. Essa era a motivação para isso, e nós o fizemos."

Anlage e seus colegas queriam criar um dispositivo que pudesse receber energia de uma fonte mais difusa, algo que fosse menos feixe e mais banho. Antes de enfrentar o desafio sem fio, eles configuraram seu anti-laser generalizado como um labirinto de fios para as ondas eletromagnéticas viajarem. Especificamente, eles usaram microondas, um candidato comum para aplicações de transferência de energia. O labirinto consistia em um monte de fios e caixas conectados de uma forma propositalmente desordenada. As micro-ondas que passassem por esse labirinto ficariam tão emaranhadas que, mesmo que fosse possível reverter o tempo, isso ainda não as desembaraçaria.
 
Enterrado no meio deste labirinto estava um absorvedor, o alvo para o qual fornecer energia. A equipe enviou microondas de diferentes frequências, amplitudes e fases para o labirinto e mediu como foram transformadas. Com base nessas medições, eles foram capazes de calcular as propriedades exatas das microondas de entrada que resultariam em uma transferência de potência perfeita para o absorvedor. Eles descobriram que, para as microondas de entrada escolhidas corretamente, o labirinto absorveu um número sem precedentes de 99,999% da energia enviada para ele. Isso mostrou explicitamente que uma absorção perfeita coerente pode ser alcançada mesmo sem um laser retrocedendo no tempo.

A equipe então deu um passo em direção à transferência de energia sem fio. Eles repetiram o experimento em uma cavidade, uma placa de latão vários metros em cada direção com um orifício de formato estranho no meio. O formato do orifício foi projetado de forma que as microondas saltassem ao redor dele de uma forma imprevisível e caótica. Eles colocaram um absorvedor de energia dentro da cavidade e enviaram microondas para ricochetear no espaço aberto interno. Eles foram capazes de encontrar as condições de microondas de entrada certas para uma absorção perfeita e coerente com eficiência de 99,996%.

O trabalho recente de uma colaboração de equipes na França e na Áustria também demonstrou uma absorção perfeita e coerente em seu próprio labirinto desordenado de microondas. No entanto, seu experimento não foi tão geral quanto o novo trabalho de Anlage e colegas. No trabalho anterior, as microondas que entram no labirinto ainda seriam desemaranhadas por uma inversão hipotética do tempo. Isso pode parecer uma distinção sutil, mas os autores dizem que mostrar que a absorção perfeita coerente não requer nenhum tipo de ordem no ambiente promete aplicabilidade em praticamente qualquer lugar.

Generalizar técnicas anteriores dessa forma convida a ideias que parecem ficção científica , como ser capaz de carregar sem fio e remotamente qualquer objeto em um ambiente complexo, como um prédio de escritórios, com eficiência quase perfeita. Esses esquemas exigiriam que a frequência, amplitude e fase da energia elétrica fossem ajustadas de forma personalizada para alvos específicos. Mas não haveria necessidade de focalizar um feixe de alta potência e apontá-lo para o laptop ou telefone - as próprias ondas elétricas seriam projetadas para encontrar o alvo escolhido.

"Se tivermos um objeto para o qual queremos fornecer energia, primeiro usaremos nosso equipamento para medir algumas propriedades do sistema", diz Lei Chen, estudante de graduação em engenharia elétrica e de computação na UMD e principal autor do artigo . "Com base nessas propriedades, podemos obter os sinais de microondas exclusivos para este tipo de sistema. E eles serão perfeitamente absorvidos pelo objeto. Para cada objeto exclusivo, os sinais serão diferentes e especialmente projetados."

Embora essa técnica seja muito promissora, ainda há muito a ser feito antes do advento dos escritórios sem fio e sem plug-ins. O absorvedor perfeito depende crucialmente da potência que está sendo ajustada corretamente para o absorvedor. Uma ligeira mudança no ambiente - como mover o laptop de destino ou aumentar as persianas da sala - exigiria um reajuste imediato de todos os parâmetros. Portanto, deveria haver uma maneira de encontrar rápida e eficientemente as condições certas para uma absorção perfeita na hora, sem usar muita energia ou largura de banda. Além disso, mais trabalho precisa ser feito para determinar a eficácia e a segurança dessa técnica em ambientes realistas.

Mesmo que ainda não seja hora de jogar fora todos os cabos de alimentação , a absorção perfeita coerente pode ser útil de várias maneiras. Não é apenas geral para qualquer tipo de alvo, também não se limita a óptica ou microondas. "Não está vinculado a uma tecnologia específica", diz Anlage, "Este é um fenômeno de onda muito geral. E o fato de ser feito em microondas é porque é onde estão as forças em meu laboratório. Mas você poderia fazer tudo isso com acústica, você poderia fazer isso com ondas de matéria, você poderia fazer isso com átomos frios. Você poderia fazer isso em muitos, muitos contextos diferentes. "

Além de Chen e Anlage, Tsampikos Kottos, professor da Wesleyan University, foi coautor do artigo.

 

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