Der WiFi-Energie-Wandler ist unbrauchbar, kann aber dennoch eine Energiequelle für die Zukunft sein
Ich bin ein wenig auf Energieeffizienz eingestellt. Ich bin frustriert darüber, dass die Idioten, die mein Haus gebaut haben, nicht die neuesten Informationen zum Zeitpunkt des Baus verwendet haben - denn dann würde mein Haus kaum eine Heizung benötigen. Und eines der interessantesten Dinge für mich ist die Aussicht, die freigesetzte Energie wiederzuverwenden. Ich mag die Idee, Energie zu sammeln, die sonst einfach dazu verdammt ist, sich in der Umwelt zu zerstreuen, und sie in etwas Nützliches zu verwandeln.
Daher konnte mir die
Arbeit der Wiederverwendung von Mikrowellenenergie nicht entgehen. Leider ist es unwahrscheinlich, dass das Sammeln von WiFi-Strahlung uns etwas Nützliches bringt. Aber zuerst schauen wir uns die sehr interessanten Ideen hinter diesem Gerät an.
Beendigung der Reflexionen
Die Grundidee, WiFi-Strahlung zu sammeln, ist ziemlich alt: Sie müssen nur eine Schaltung erstellen, die die gesamte Mikrowellenenergie absorbiert. Nehmen Sie ein künstliches Beispiel: Stellen Sie sich einen Mikrowellenimpuls vor, der durch ein Stück Koaxialkabel läuft. Ein Koaxialkabel besteht aus einem zentralen leitenden Draht, der von einem Zylinder aus nichtleitendem Dielektrikum umgeben ist, und all dies ist in einen Leiter gewickelt. Mikrowellenenergie wird nicht über das Mitteldraht übertragen. Es befindet sich in elektrischen und magnetischen Feldern in einem Dielektrikum. Sie breiten sich wie Wellen durch das Kabel aus, wobei die Geschwindigkeit insbesondere von den Eigenschaften des Dielektrikums abhängt.
Wenn die Welle das Ende des Kabels erreicht, liegt ein Problem vor. Direkt an der Grenze zwischen Luft und Dielektrikum muss sie sofort von einer Geschwindigkeit zur anderen wechseln. Wenn die gesamte Energie der Mikrowellen vom Ende des Kabels übertragen würde, hätte das elektrische Feld an derselben Stelle zwei unterschiedliche Werte, aber dies geschieht nicht. Daher wird die Welle vom Ende reflektiert und über ein Kabel zurückgeführt (wobei wahrscheinlich der Sender zerstört wird).
Wenn wir nicht wollen, dass die Energie reflektiert wird, müssen wir das Kabel so begrenzen, dass das Kabel aus Sicht der Mikrowellen so aussieht, als würde es sich endlos dehnen. Dieses Konzept wird als „Matching“ bezeichnet und ist der Eckpfeiler bei der Entwicklung der Mikrowellenelektronik, der Optik und im Prinzip der Physik und Technik.
Bei einem Koaxialkabel wird das Dielektrikum normalerweise so gewählt, dass der 50-Ohm-Widerstand den Kabeleigenschaften entspricht. Wenn ich also einen 50-Ohm-Widerstand zwischen der externen leitenden Beschichtung und dem mittleren Kabel platziere, wird die gesamte Mikrowellenenergie vom Widerstand absorbiert.
Für ein Koaxialkabel oder eine Übertragungsleitung im Allgemeinen ist die Entwicklung von Stromkreisen, die mit den Eigenschaften der Leitung übereinstimmen, eine einfache Aufgabe. Die Antenne in Ihrem Mobiltelefon hat genau ein solches Schema: Die Antenne und ihre Endschaltung müssen miteinander übereinstimmen und den Ausbreitungseigenschaften im Weltraum so gut wie möglich entsprechen. Gute Ausrichtung bedeutet die Fähigkeit einer kleinen Antenne, viel Strahlung zu absorbieren.
WiFi-Verlust
Die Einschränkungen für WiFi sind dieselben wie für Empfänger. Aber seine Energie fließt nicht nur zur Empfangsantenne, sondern breitet sich viel weiter aus. Dies bedeutet, dass das meiste davon verschwindet. Wenn wir die richtigen Antennen über das gesamte Gebiet platzieren würden, könnten wir einen Teil dieser Energie zurückgewinnen. Es stellt sich jedoch heraus, dass dies eine ziemlich schwierige Aufgabe ist.
Erstens müssten solche Empfänger in die Wände eines Hauses oder einer Wohnung eingebaut werden. Dies bedeutet, dass sie im Gegensatz zu den Antennen von Geräten nicht auf einen optimalen Empfang abgestimmt werden können. WiFi-Signale kommen aus allen Richtungen und es kann eine beliebige Polarisation auftreten (räumliche Ausrichtung des elektrischen Feldes relativ zur Richtung der Wellenausbreitung). Antennen reagieren sowohl auf die Richtung als auch auf die Polarisation.
Dann ist die Energie ziemlich verschmiert. In der Nähe der Quelle werden etwa 10 mW Energie abgegeben. Wenn Sie sich jedoch 10 Meter bewegen, verringert sich die Energie, die durch Ihren Körper fließt, auf 10-20 μW. Verluste häufen sich. Die Entfernung ist ein Problem, und wenn Ihre Antenne nur auf eine Polarisation eingestellt ist, verlieren Sie bereits die Hälfte der Energie. Addieren Sie alle Verluste in einem Stromkreis, der Energie sammelt und in Gleichstrom umwandelt. Es sieht alles sehr kompliziert aus.
Meta-Antennen bauen
Um solche Probleme zu umgehen, schlugen drei Forscher ein Antennennetz vor, um diese Verluste zu minimieren.
Zuerst müssen Sie die Abhängigkeit von der Polarisation beseitigen. Sie näherten sich dem, indem sie eine flache Antenne entwickelten, die sowohl auf die vertikale als auch auf die horizontale Polarisation von Mikrowellen optimal reagiert. Obwohl Antennen auf beide Polarisationen reagieren, bestimmt die physikalische Position des Drahtes, der die Antenne mit dem Rest der Schaltung verbindet, welche Polarisation Energie erzeugt. Antennen mit seitlichen Drähten reagieren empfindlich auf horizontal polarisiertes Licht, und Antennen mit Drähten oben reagieren empfindlich auf vertikal polarisiertes Licht [
der Autor sagt Licht - Licht. Vielleicht hat er sich geirrt und meinte nur Radiowellen / ca. perev. ].
Ich werde klarstellen, dass die Verbindungsdrähte auch als Antennen betrachtet werden können, mit denen die empfangende flache Antenne die empfangene Energie wieder ausstrahlt.
Um ein Energiesammelgerät nach diesem Prinzip zu entwickeln, haben die Forscher eine Reihe von Antennen entwickelt. Die ungeraden Säulen der Antennen wurden so abgestimmt, dass sie vertikal polarisiertes Licht empfangen, und die geraden Säulen horizontal.
Es mag Ihnen so vorkommen, als wäre das alles dumm, denn mit jeder Polarisation verlieren Sie die Hälfte der Energie. Nicht in diesem Fall. Alle Antennen kommunizieren miteinander. Die Antennensäule mit den Drähten oben akzeptiert weiterhin beide Polarisationen. Vertikal polarisierte Mikrowellen werden an die Drähte oben auf jeder Antenne übertragen. Horizontal polarisierte Mikrowellen werden in benachbarten Spalten zu den Antennen übertragen, wo sie in die Drähte an der Seite jeder Antenne eintreten. Mit der richtigen Schaltung kann die gesamte Energie auf die Wandlerschaltung übertragen werden.
Die Antenne sieht also aus wie ein Gitter aus Metallplatten, das sich auf einem Material befindet, das keinen Strom leitet. Und wie in unserem Beispielkoaxialkabel wird die von der Antenne gesammelte Energie in Feldern im Dielektrikum gespeichert. Dies bedeutet, dass wir ein Dielektrikum benötigen, das ein Minimum an Energie absorbiert. Die von einem Dielektrikum absorbierte Energiemenge wird oft als Verlustfaktor bezeichnet. Die Forscher suchten und fanden Material mit einem Verlustfaktor, der etwa 100-mal geringer ist als der, der üblicherweise in Leiterplatten verwendet wird.
Halte dich von meiner Modellrealität fern
In den Modellen absorbiert das Antennenarray natürlich 100% der WiFi-Strahlungsenergie (genauer gesagt 2,4 GHz WiFi). Aber wie funktioniert das in der Praxis? Hier ist alles etwas kompliziert. Wenn Sie die Energie messen, die direkt zu den Verbindungskabeln kommt, können Sie ungefähr 97% der Übertragung erhalten, was im Grunde genommen cool ist.
Aber wir wollen diese Energie nutzen und hier verdirbt alles. Wenn Sie die Drähte direkt an den Lastwiderstand anschließen (und die WiFi-Energie in Wärme umwandeln), funktioniert alles einwandfrei und 92% der Strahlung wird vom Widerstand absorbiert. Ein Verlust von 5% tritt aufgrund der Absorption im Dielektrikum während der Energieübertragung auf Widerstände auf.
Reale Verluste beginnen, wenn Mikrowellen in nutzbare elektrische Gleichstromsignale umgewandelt werden. Selbst bei Modellen sind es nicht mehr als 80%. In den Experimenten gelang es den Forschern, das Ergebnis auf 70% zu bringen. Ich würde 70% zustimmen, aber diesmal nicht. Das Problem ist, dass ein Wirkungsgrad von 70% nur mit einer ausreichend hohen Leistung des Primärsignals erreicht wird. Die Forscher testeten dieses Signal mit Energien (und dies ist die Gesamtenergie, die in das Antennenarray eintritt, und nicht die ursprünglich emittierte) von 1 bis 10 mW. Im Fall von 1 mW betrug die Umwandlungseffizienz 30%. Die lineare Abhängigkeit (auf einer logarithmischen Skala) legt nahe, dass, wenn sich in der realen Welt ein Sender mit einer Kapazität von 100 mW 10 m von der Antenne entfernt befindet, die Antenne Energie in der Größenordnung von Mikrowatt empfängt. Und das entspricht einer Umwandlungseffizienz von 5%, was nicht sehr gut ist.
Forscher sagen, das Problem liege im Energieumwandlungsnetz. Wenn Mikrowellenenergie dorthin übertragen wird, wo sie in Gleichstrom umgewandelt wird, treten Verluste auf. Bei Dioden treten noch größere Verluste auf. Dioden lassen den Strom in eine Richtung fließen, sodass ein Netzwerk von Dioden ein oszillierendes Mikrowellenfeld aufnehmen kann, in dem sich die Spannung alle paar Nanosekunden von negativ nach positiv ändert, und eine positive Spannung erzeugt.
Die Dioden sind jedoch nicht ideal - sie benötigen Zeit zum Umschalten, sie benötigen die angelegte Spannung, um einen bestimmten Wert zu erreichen, bevor der Strom fließen kann. Infolgedessen wird ein erheblicher Teil der Energie von Mikrowellen nicht umgewandelt, sondern geht in Form von Wärme verloren, da sie nicht das gewünschte Niveau erreicht.
Ich bin sicher, dass dieses Problem des Betriebs der Dioden von grundlegender Bedeutung ist und dass, obwohl diese Verluste leicht verringert werden können, ich nicht denke, dass wir in naher Zukunft in der Lage sein werden, eine Größenordnung effizienter zu machen. Andererseits denke ich, dass die Autoren klarstellen könnten, dass dies eigentlich nicht so wichtig ist. Sobald alle Antennen miteinander verbunden sind, kann ihre Anordnung vergrößert werden, und die insgesamt empfangene Energiemenge wird groß genug, um einen Spitzenwirkungsgrad zu erreichen.
Aber ich bin mir nicht sicher, ob das funktionieren wird. In einem Abstand von 10 m sollte die Antennenanordnung die gesamte Wand des Raums abdecken. Leider treten dann andere Probleme in Kraft. Derzeit kostet uns die Energieübertragung von einzelnen Antennen auf Dioden etwa 5% der Gesamtenergie. Aber Verluste skalieren mit der Entfernung. In der realen Welt, in der sich Antennen über die Wand erstrecken, erhöhen sich die Entfernungen um das 40-fache.
Infolgedessen erwies sich die Antennenschaltung als kühl. Sein Vorteil ist, dass es unabhängig von der Ausrichtung in Bezug auf den WiFi-Sender und Interferenzen funktioniert. Die Antenne muss jedoch mit unvollständigen Komponenten verbunden werden, und aus diesem Grund ist es sehr schwierig, sich vorzustellen, wie sie in der Realität funktioniert.
Gib mir mein halbes Watt zurück
Und wenn wir es schaffen könnten, wäre es das wert? "Ja", denkt mein Gehirn, beschäftigt mit Energieeffizienz, "natürlich." Aber nach einer langen Behandlung des restlichen Gehirns mit Koffein sieht die Idee nicht mehr so lohnenswert aus.
Gemäß den Spezifikationen meiner Basisstationen überschreitet die Senderenergie nicht 100-200 mW pro Kanal. Ich habe eine Zweikanal- und eine Dreikanalstation, die eine maximale Gesamtleistung von 800 mW ergibt. Laut meiner Stromrechnung kommen 0,02 kWh pro Monat heraus. Die von meinen angeschlossenen Geräten aufgenommene Energie kann vernachlässigt werden. Mein Computer meldet eine Signalstärke von -54 dBm, was einem Wert von etwas weniger als 4 μW entspricht. Angenommen, die gesamte über WLAN übertragene Energie steht zur Erfassung zur Verfügung.
Das bedeutet, dass ich durch die Erfassung der Energie der von meinen Basisstationen emittierten Mikrowellenstrahlung etwa zwei Dollar pro Jahr einsparen würde. Mit anderen Worten, ich würde 0,02 kWh von meiner monatlichen Stromrechnung entfernen, die im Winter bis zu 19 kWh beträgt.
Dies bedeutet nicht, dass dies alles völlig umsonst ist. Diese Idee kann für die Übertragung von drahtloser Energie wertvoll sein. Mikrowellen können auf einen relativ kleinen Bereich fokussiert werden. Bei bestimmten Berechnungen kann der Sender in den meisten Situationen Mehrwegestörungen verwenden, um Energie effizient auf einen kleinen Zielbereich zu übertragen, wobei die Energiedichte an allen anderen Stellen im umgebenden Raum relativ niedrig bleibt (so dass niemand 100 Watt durch den Strahl leiten muss). Unter solchen Bedingungen wird die Implementierung eines äußerst flexiblen und effizienten Antennensystems viel einfacher. Bei akzeptabler Umwandlungseffizienz wird es den meisten von uns gefallen.
Ein weiterer Anwendungsfall ist die Erstellung verbesserter WiFi-Netzwerke. Die meisten Probleme heutiger Netzwerke sind auf Interferenzen, Mehrwegestörungen Ihres WLAN-Senders oder den Kampf um Kanäle von Nachbarn zurückzuführen. Um diese Situation zu korrigieren, wäre es möglich, solche Antennen (ohne Umwandlungsschaltungen) an strategischen Stellen des Hauses so anzuordnen, dass sie einen Teil der Interferenz blockieren. Sie haben gegenüber einer Aluminiumfolie den Vorteil, dass ihr effektiver Wirkungsbereich größer ist als ihre physikalische Größe. Unter bestimmten Umständen können einige Quadratmeter Folie durch eine kleinere Antenne ersetzt werden.
Reichen einige solcher Beispiele aus, um mit der Entwicklung eines solchen Systems zu beginnen? Nicht sicher. Trotzdem bin ich mir sicher, dass ein solches Antennenschema in jedem Gerät auftreten wird.