El convertidor de WiFi a energía no se puede usar, pero puede ser una fuente de energía para el futuro.
Estoy un poco preocupado por la eficiencia energética. Estoy frustrado por el hecho de que los idiotas que construyeron mi casa no utilizaron la información más reciente disponible en el momento de la construcción, porque entonces mi casa apenas necesitaría calefacción. Y una de las cosas más interesantes para mí es la posibilidad de reutilizar la energía liberada. Me gusta la idea de recolectar energía, que de lo contrario simplemente está condenada a disiparse en el medio ambiente, y convertirla en algo útil.
Por lo tanto, el
trabajo de reutilizar la energía de microondas no podría pasar por alto. Desafortunadamente, la recolección de radiación WiFi es poco probable que nos brinde algo útil. Pero primero, veamos las ideas muy interesantes detrás de este dispositivo.
Cese de reflexiones
La idea básica de recolectar radiación WiFi es bastante antigua: solo necesita hacer un circuito que absorba toda la energía de microondas. Tomemos un ejemplo artificial: imaginemos un pulso de microondas viajando a través de un cable coaxial. Un cable coaxial consiste en un cable conductor central rodeado por un cilindro de dieléctrico no conductor, y todo esto está envuelto en un conductor. La energía de microondas no se transmite a través del cable central. Se encuentra en campos eléctricos y magnéticos en un dieléctrico. Se propagan a través del cable como ondas, con una velocidad que depende, en particular, de las propiedades del dieléctrico.
Cuando la onda llega al final del cable, tiene un problema. Justo en el límite entre el aire y el dieléctrico, necesita cambiar instantáneamente de una velocidad a otra. Si toda la energía de las microondas se transmitiera desde el extremo del cable, entonces el campo eléctrico en el mismo lugar tendría dos valores diferentes, pero esto no sucede. Por lo tanto, la onda se refleja desde el extremo y se devuelve por cable (en el proceso, probablemente destruyendo el transmisor).
Si no queremos que se refleje la energía, debemos limitar el cable para que, desde el punto de vista de las microondas, parezca que el cable se estira sin cesar. Este concepto se llama "correspondencia" y es la piedra angular en el desarrollo de la electrónica de microondas, la óptica y, en principio, en física e ingeniería.
En el caso de un cable coaxial, el dieléctrico generalmente se elige de modo que la resistencia de 50 ohmios coincida con las propiedades del cable. Entonces, si coloco una resistencia de 50 ohmios entre el recubrimiento conductor externo y el cable central, toda la energía de microondas será absorbida por la resistencia.
Para un cable coaxial o cualquier línea de transmisión en general, el desarrollo de circuitos eléctricos que sean consistentes con las propiedades de la línea es una tarea simple. La antena de su teléfono móvil tiene exactamente ese esquema: la antena y su circuito terminal deben coincidir entre sí y las propiedades de propagación en el espacio lo mejor posible. Una buena alineación significa la capacidad de una antena pequeña para absorber mucha radiación.
Pérdida de WiFi
Las restricciones para WiFi son las mismas que para los receptores. Pero su energía no solo va a la antena receptora, sino que se extiende mucho más. Esto significa que la mayor parte desaparece. Si colocamos las antenas correctas en toda el área, podríamos recuperar algo de esta energía. Pero resulta que esta es una tarea bastante difícil.
Primero, dichos receptores tendrían que estar integrados en las paredes de una casa o departamento. Esto significa que, a diferencia de las antenas en los dispositivos, no se pueden sintonizar para una recepción óptima. Las señales WiFi provienen de todas las direcciones, y puede haber cualquier polarización (orientación espacial del campo eléctrico en relación con la dirección de propagación de la onda). Las antenas son sensibles tanto a la dirección como a la polarización.
Entonces, la energía está bastante manchada. Cerca de la fuente, se emiten unos 10 mW de energía. Pero si te mueves 10 metros, entonces la energía que pasa a través de tu cuerpo disminuirá a 10-20 μW. Las pérdidas se acumulan. La distancia es un problema, y si su antena está sintonizada a una sola polarización, ya perderá la mitad de la energía. Agregue todas las pérdidas en un circuito que recolecta energía y la convierte en corriente continua. Todo comienza a parecer muy complicado.
Construyendo meta antenas
Para sortear tales problemas, tres investigadores propusieron una red de antenas tratando de minimizar estas pérdidas.
Primero debes eliminar la dependencia de la polarización. Se acercaron a esto desarrollando una antena plana que responde de manera óptima a la polarización vertical y horizontal de las microondas. Aunque las antenas responden a ambas polarizaciones, la ubicación física del cable que conecta la antena al resto del circuito determina qué polarización genera energía. Las antenas con cables en el costado son sensibles a la luz polarizada horizontalmente, y las antenas con cables en la parte superior son sensibles a la luz polarizada verticalmente [
el autor dice luz - luz. Quizás estaba equivocado y solo quería decir ondas de radio / aprox. perev. ]
Aclararé que los cables de conexión también pueden considerarse antenas por las cuales la antena plana receptora re-irradia la energía recibida.
Para crear un dispositivo de recolección de energía sobre este principio, los investigadores crearon una serie de antenas. Las columnas impares de las antenas se sintonizaron para recibir luz polarizada verticalmente, y las columnas pares horizontalmente.
Puede parecerle que todo esto es estúpido, porque con cada polarización pierde la mitad de la energía. No en este caso Todas las antenas se comunican entre sí. La columna de antenas con cables en la parte superior aún acepta ambas polarizaciones. Las microondas polarizadas verticalmente se transmiten a los cables ubicados en la parte superior de cada antena. Las microondas polarizadas horizontalmente se transmiten a las antenas en columnas adyacentes, donde ingresan a los cables ubicados en el costado de cada antena. Con los circuitos correctos, toda la energía se puede transferir al circuito convertidor.
Por lo tanto, la antena se ve como una red de placas de metal ubicadas en un material que no conduce corriente. Y, como en nuestro ejemplo de cable coaxial, la energía recolectada por la antena se almacena en campos en el dieléctrico. Esto significa que necesitamos un dieléctrico que absorba un mínimo de energía. La cantidad de energía absorbida por un dieléctrico a menudo se denomina tangente de pérdida. Los investigadores buscaron y encontraron material con una tangente de pérdida de aproximadamente 100 veces menos que los comúnmente utilizados en las placas de circuito impreso.
Mantente fuera de la realidad de mi modelo
En los modelos, por supuesto, el conjunto de antenas absorbe el 100% de la energía de radiación WiFi (más precisamente, WiFi de 2,4 GHz). Pero, ¿cómo funciona esto en la práctica? Aquí todo es un poco complicado. Si mide la energía que llega directamente a los cables de conexión, puede obtener aproximadamente el 97% de la transmisión, que es básicamente genial.
Pero queremos usar esta energía, y aquí todo se echa a perder. Si conecta directamente los cables a la resistencia de carga (y convierte la energía WiFi en calor), todo funciona bien y el 92% de la radiación es absorbida por la resistencia. Se produce una pérdida del 5% debido a la absorción en el dieléctrico durante la transferencia de energía a las resistencias.
Las pérdidas reales comienzan cuando las microondas se convierten en señales de CC eléctricas utilizables. Incluso en modelos resulta no más del 80%. En los experimentos, los investigadores lograron llevar el resultado al 70%. Estaría de acuerdo con el 70%, pero no esta vez. El problema es que el 70% de eficiencia se obtiene solo con una potencia suficientemente alta de la señal primaria. Los investigadores probaron esta señal con energías (y esta es la energía total que ingresa al conjunto de antenas, y no la que se emitió originalmente) de 1 a 10 mW. En el caso de 1 mW, la eficiencia de conversión fue del 30%. La dependencia lineal (en una escala logarítmica) sugiere que si en el mundo real un transmisor con una capacidad de 100 mW se encuentra a 10 m de la antena, la antena recibirá energía del orden de los microvatios. Y esto corresponde a una eficiencia de conversión del 5%, que no es muy buena.
Los investigadores dicen que el problema radica en la red de conversión de energía. Cuando la energía de las microondas se transfiere a donde se convierte en corriente continua, se producen pérdidas. Incluso se producen pérdidas mayores en los diodos. Los diodos permiten que la corriente fluya en una dirección, por lo que una red de diodos puede tomar un campo de microondas oscilante, donde el voltaje cambia de negativo a positivo cada pocos nanosegundos y produce un voltaje positivo.
Pero los diodos no son ideales: necesitan tiempo para cambiar, necesitan el voltaje aplicado para alcanzar un cierto valor antes de permitir que fluya la corriente. Como resultado, una parte significativa de la energía de las microondas no se convierte, sino que se pierde en forma de calor, porque no alcanza el nivel deseado.
Estoy seguro de que este problema del funcionamiento de los diodos es fundamental y que, aunque estas pérdidas pueden reducirse ligeramente, no creo que en un futuro próximo podamos hacer que un diodo de magnitud sea más eficiente. Por otro lado, creo que los autores podrían aclarar que esto en realidad no es tan importante. Una vez que todas las antenas están conectadas entre sí, su matriz puede hacerse más grande, y la cantidad total de energía recibida será lo suficientemente grande como para lograr la máxima eficiencia.
Pero no estoy seguro de si esto funcionará. A una distancia de 10 m, el conjunto de antenas debe cubrir toda la pared de la habitación. Lamentablemente, entonces entran en vigor otros problemas. Actualmente, la transferencia de energía de antenas individuales a diodos nos cuesta alrededor del 5% de la energía total. Pero las pérdidas escalan con la distancia. En el mundo real, donde las antenas se extienden a través de la pared, las distancias aumentan unas 40 veces.
Como resultado, el circuito de la antena resultó ser frío. Su ventaja es que funciona independientemente de la orientación con respecto al transmisor WiFi y la interferencia. Pero la antena tiene que estar conectada con componentes imperfectos, y debido a esto resulta muy difícil imaginar cómo hacer que funcione en la realidad.
Devuélveme mi medio vatio
Y si pudiéramos hacerlo, ¿valdría la pena? "Sí", piensa mi cerebro, preocupado por la eficiencia energética, "por supuesto". Pero después de un largo tratamiento del resto de mi cerebro con cafeína, la idea comienza a parecer que no vale la pena.
De acuerdo con las especificaciones de mis estaciones base, la energía del transmisor no supera los 100-200 mW por canal. Tengo una estación de dos canales y una de tres canales, que proporciona una potencia total máxima de 800 mW. Según mi factura de electricidad sale 0.02 kWh por mes. La energía absorbida por mis dispositivos conectados puede ser descuidada. Mi computadora informa una intensidad de señal de -54 dBm, que corresponde a un valor ligeramente inferior a 4 μW. Suponga que toda la energía transmitida a través de WiFi está disponible para su captura.
Esto significa que capturar la energía de la radiación de microondas emitida por mis estaciones base me ahorraría unos dos dólares al año. En otras palabras, eliminaría 0.02 kWh de mi factura mensual total de electricidad, que alcanza hasta 19 kWh en invierno.
Esto no significa que todo esto sea completamente en vano. Esta idea puede ser valiosa para transmitir energía inalámbrica. Las microondas pueden enfocarse en un área bastante pequeña. Con ciertos cálculos, el transmisor puede usar la interferencia multitrayecto en la mayoría de las situaciones para transferir energía de manera eficiente a un área objetivo pequeña, dejando la densidad de energía en todos los demás lugares del espacio circundante relativamente baja (para que nadie tenga que pasar 100 vatios a través del haz). Bajo tales condiciones, un sistema de antena extremadamente flexible y eficiente se vuelve mucho más simple de implementar. Con una eficiencia de conversión aceptable, a la mayoría de nosotros nos gustará.
Otro caso de uso es crear redes WiFi mejoradas. La mayoría de los problemas de las redes actuales provienen de la interferencia, o la interferencia de múltiples rutas de su transmisor WiFi, o la lucha por los canales de los vecinos. Para corregir esta situación, sería posible colocar tales antenas (sin circuitos de conversión) en lugares estratégicos de la casa para que bloqueen parte de la interferencia. Tendrán una ventaja sobre una lámina de papel de aluminio en que su área de acción efectiva es mayor que su tamaño físico. Bajo ciertas condiciones, algunos metros cuadrados de papel de aluminio se pueden reemplazar por una antena más pequeña.
¿Son suficientes un par de ejemplos para comenzar a desarrollar dicho sistema? No estoy seguro Sin embargo, estoy seguro de que este esquema de antena aparecerá en cualquier dispositivo.