Konverter WiFi-ke-energi tidak dapat digunakan, namun tetap dapat menjadi sumber energi untuk masa depan
Saya sedikit terangsang efisiensi energi. Saya frustasi oleh kenyataan bahwa para idiot yang membangun rumah saya tidak menggunakan informasi terbaru yang tersedia pada saat pembangunan - karena dengan demikian rumah saya tidak perlu pemanas. Dan salah satu hal yang paling menarik bagi saya adalah prospek untuk menggunakan kembali energi yang dikeluarkan. Saya suka ide mengumpulkan energi, yang kalau tidak pasti akan lenyap di lingkungan, dan mengubahnya menjadi sesuatu yang bermanfaat.
Karena itu,
pekerjaan menggunakan kembali energi gelombang mikro tidak dapat melewatiku. Sayangnya, mengumpulkan radiasi WiFi tidak mungkin memberi kita sesuatu yang bermanfaat. Tapi pertama-tama, mari kita lihat ide-ide yang sangat menarik di balik perangkat ini.
Penghentian refleksi
Ide dasar untuk mengumpulkan radiasi WiFi sudah cukup lama: Anda hanya perlu membuat sirkuit yang menyerap semua energi gelombang mikro. Ambil contoh buatan: bayangkan pulsa gelombang mikro berjalan melalui sepotong kabel koaksial. Kabel koaksial terdiri dari kawat konduktif pusat yang dikelilingi oleh silinder dielektrik non-konduktif, dan semua ini dibungkus dalam sebuah konduktor. Energi gelombang mikro tidak ditransmisikan melalui kabel tengah. Itu terletak di medan listrik dan magnet dalam dielektrik. Mereka merambat melalui kabel seperti gelombang, dengan kecepatan tergantung, khususnya, pada sifat-sifat dielektrik.
Ketika gelombang mencapai ujung kabel, ia memiliki masalah. Tepat di perbatasan antara udara dan dielektrik, ia perlu beralih dari satu kecepatan ke kecepatan lainnya. Jika semua energi gelombang mikro ditransmisikan dari ujung kabel, maka medan listrik di tempat yang sama akan memiliki dua nilai berbeda, tetapi ini tidak terjadi. Oleh karena itu, gelombang dipantulkan dari ujung dan dikembalikan melalui kabel (dalam proses, mungkin menghancurkan pemancar).
Jika kita tidak ingin energi terpantul, kita perlu membatasi kabel sehingga dari sudut pandang gelombang mikro, kabel itu seolah-olah membentang tanpa henti. Konsep ini disebut "pencocokan," dan merupakan landasan dalam pengembangan elektronik gelombang mikro, optik, dan pada prinsipnya dalam fisika dan teknik.
Dalam kasus kabel koaksial, dielektrik biasanya dipilih sehingga resistor 50 ohm cocok dengan properti kabel. Jadi jika saya menempatkan resistor 50 ohm antara lapisan konduktif eksternal dan kabel tengah, semua energi gelombang mikro akan diserap oleh resistor.
Untuk kabel koaksial atau saluran transmisi apa pun secara umum, pengembangan sirkuit listrik yang konsisten dengan sifat-sifat saluran adalah tugas yang sederhana. Antena di ponsel Anda memiliki skema seperti itu: antena dan sirkuit terminalnya harus cocok satu sama lain dan mencocokkan properti propagasi di ruang angkasa sebaik mungkin. Pensejajaran yang baik berarti kemampuan antena kecil untuk menyerap banyak radiasi.
Kehilangan WiFi
Batasan untuk WiFi sama dengan untuk penerima. Tetapi energinya tidak hanya pergi ke antena penerima, itu menyebar jauh lebih luas. Ini berarti bahwa sebagian besar menghilang. Jika kami menempatkan antena yang tepat di seluruh area, kami dapat memulihkan sebagian energi ini. Tetapi ternyata ini adalah tugas yang agak sulit.
Pertama, alat penerima semacam itu perlu dibangun di dinding rumah atau apartemen. Ini berarti bahwa, tidak seperti antena pada perangkat, mereka tidak dapat disetel untuk penerimaan optimal. Sinyal WiFi datang dari semua arah, dan bisa ada polarisasi (orientasi spasial medan listrik relatif terhadap arah perambatan gelombang). Antena sensitif terhadap arah dan polarisasi.
Kemudian, energinya cukup banyak dioleskan. Di dekat sumber, sekitar 10 mW energi dipancarkan. Tetapi jika Anda bergerak 10 meter, maka energi yang melewati tubuh Anda akan berkurang menjadi 10-20 ΞΌW. Kerugian menumpuk. Jarak adalah masalah, dan jika antena Anda hanya disetel ke satu polarisasi, Anda sudah akan kehilangan separuh energinya. Tambahkan semua kerugian dalam sirkuit yang mengumpulkan energi dan mengubahnya menjadi arus searah. Semuanya mulai terlihat sangat rumit.
Membangun antena meta
Untuk menghindari masalah seperti itu, tiga peneliti mengusulkan jaringan antena yang berusaha meminimalkan kerugian ini.
Pertama, Anda perlu menghilangkan ketergantungan pada polarisasi. Mereka mendekati ini dengan mengembangkan antena datar yang secara optimal merespon polarisasi vertikal dan horizontal gelombang mikro. Meskipun antena merespons kedua polarisasi, lokasi fisik kabel yang menghubungkan antena ke seluruh rangkaian menentukan polarisasi mana yang menghasilkan energi. Antena dengan kabel di samping sensitif terhadap cahaya terpolarisasi horizontal, dan antena dengan kabel di atas sensitif terhadap cahaya terpolarisasi vertikal [
penulis mengatakan cahaya - cahaya. Mungkin dia salah dan hanya berarti gelombang radio. perev. ]
Saya akan mengklarifikasi bahwa kabel penghubung juga dapat dianggap sebagai antena dimana antena datar penerima memancarkan kembali energi yang diterima.
Untuk membuat perangkat pengumpul energi pada prinsip ini, para peneliti membuat berbagai antena. Kolom aneh antena disetel untuk menerima cahaya yang terpolarisasi vertikal, dan kolom genap secara horizontal.
Tampaknya bagi Anda bahwa semua ini bodoh, karena dengan setiap polarisasi Anda kehilangan separuh energi. Tidak dalam hal ini. Semua antena berkomunikasi satu sama lain. Kolom antena dengan kabel di atas masih menerima kedua polarisasi. Gelombang mikro terpolarisasi vertikal ditransmisikan ke kabel yang terletak di atas setiap antena. Gelombang mikro terpolarisasi horizontal ditransmisikan ke antena di kolom yang berdekatan, di mana mereka memasuki kabel yang terletak di sisi masing-masing antena. Dengan sirkuit yang benar, semua energi dapat ditransfer ke sirkuit konverter.
Jadi antena terlihat seperti kisi pelat logam yang terletak pada bahan yang tidak mengalirkan arus. Dan, seperti dalam contoh kabel koaksial kami, energi yang dikumpulkan oleh antena disimpan dalam bidang dielektrik. Ini berarti bahwa kita memerlukan dielektrik yang menyerap energi minimum. Jumlah energi yang diserap oleh dielektrik sering disebut sebagai kehilangan tangen. Para peneliti mencari dan menemukan materi dengan kehilangan garis singgung sekitar 100 kali lebih sedikit daripada yang biasa digunakan pada papan sirkuit cetak.
Jauhkan dari kenyataan model saya
Dalam model, tentu saja, array antena menyerap 100% energi radiasi WiFi (lebih tepatnya, 2,4 GHz WiFi). Tetapi bagaimana cara kerjanya dalam praktiknya? Semuanya agak rumit di sini. Jika Anda mengukur energi yang datang ke kabel penghubung secara langsung, Anda bisa mendapatkan sekitar 97% dari transmisi, yang pada dasarnya keren.
Tapi kami ingin menggunakan energi ini, dan di sini semuanya rusak. Jika Anda langsung menghubungkan kabel ke resistansi beban (dan mengubah energi WiFi menjadi panas), semuanya bekerja dengan baik dan 92% radiasi diserap oleh resistansi. Hilangnya 5% terjadi karena penyerapan dielektrik selama transfer energi ke resistor.
Kerugian nyata dimulai ketika gelombang mikro dikonversi menjadi sinyal listrik DC yang dapat digunakan. Bahkan dalam model ternyata tidak lebih dari 80%. Dalam percobaan, para peneliti berhasil membawa hasilnya hingga 70%. Saya setuju 70%, tapi kali ini tidak. Masalahnya adalah bahwa efisiensi 70% hanya diperoleh dengan kekuatan sinyal primer yang cukup tinggi. Para peneliti menguji sinyal ini dengan energi (dan ini adalah energi total yang masuk ke array antena, dan bukan yang semula dipancarkan) dari 1 hingga 10 mW. Dalam hal 1 mW, efisiensi konversi adalah 30%. Ketergantungan linear (pada skala logaritmik) menunjukkan bahwa jika di dunia nyata pemancar dengan kapasitas 100 mW terletak 10 m dari antena, maka antena akan menerima energi dari urutan microwatts. Dan ini sesuai dengan efisiensi konversi 5%, yang tidak terlalu baik.
Para peneliti mengatakan masalahnya terletak pada jaringan konversi energi. Ketika energi gelombang mikro ditransfer ke tempat itu dikonversi menjadi arus searah, kerugian terjadi. Kerugian yang lebih besar terjadi pada dioda. Dioda memungkinkan arus mengalir dalam satu arah, sehingga jaringan dioda dapat mengambil medan gelombang mikro berosilasi, di mana tegangan berubah dari negatif ke positif setiap beberapa nanodetik, dan menghasilkan tegangan positif.
Tetapi dioda tidak ideal - mereka perlu waktu untuk beralih, mereka membutuhkan tegangan yang diberikan untuk mencapai nilai tertentu sebelum mereka membiarkan arus mengalir. Akibatnya, sebagian besar energi gelombang mikro tidak dikonversi, tetapi hilang dalam bentuk panas, karena tidak mencapai tingkat yang diinginkan.
Saya yakin bahwa masalah pengoperasian dioda ini sangat mendasar, dan meskipun kerugian ini dapat sedikit dikurangi, saya tidak berpikir bahwa dalam waktu dekat kita akan dapat membuat urutan dioda yang lebih efisien daripada dioda. Di sisi lain, saya berpikir bahwa penulis dapat mengklarifikasi bahwa ini sebenarnya tidak begitu penting. Setelah semua antena terhubung satu sama lain, susunannya dapat dibuat lebih besar, dan jumlah total energi yang diterima akan menjadi cukup besar untuk mencapai efisiensi puncak.
Tetapi saya tidak yakin apakah ini akan berhasil. Pada jarak 10 m, susunan antena harus menutupi seluruh dinding ruangan. Sayangnya, kemudian masalah lain mulai berlaku. Saat ini, transfer energi dari antena individu ke dioda menghabiskan biaya sekitar 5% dari total energi. Namun skala kerugian dengan jarak. Di dunia nyata, di mana antena memanjang melintasi dinding, jarak meningkat sekitar 40 kali.
Hasilnya, rangkaian antena ternyata menjadi dingin. Keuntungannya adalah bahwa ia bekerja terlepas dari orientasi sehubungan dengan pemancar dan gangguan WiFi. Tetapi antena harus dihubungkan dengan komponen yang tidak sempurna, dan karena ini ternyata sangat sulit untuk membayangkan bagaimana membuatnya bekerja dalam kenyataan.
Kembalikan setengah watt saya
Dan jika kita bisa melakukannya, apakah itu layak? "Ya," pikir otak saya, sibuk dengan efisiensi energi, "tentu saja." Tetapi setelah perawatan yang lama dari sisa otak saya dengan kafein, idenya mulai terlihat tidak begitu berharga.
Menurut spesifikasi stasiun induk saya, energi pemancar tidak melampaui 100-200 mW per saluran. Saya memiliki satu stasiun dua saluran dan satu saluran tiga, yang memberikan daya total maksimum 800 mW. Menurut tagihan listrik saya keluar 0,02 kWh per bulan. Energi yang diserap oleh perangkat saya yang terhubung dapat diabaikan. Komputer saya melaporkan kekuatan sinyal -54 dBm, yang sesuai dengan nilai sedikit kurang dari 4 ΞΌW. Asumsikan bahwa semua energi yang ditransmisikan melalui WiFi tersedia untuk ditangkap.
Ini berarti bahwa menangkap energi radiasi gelombang mikro yang dipancarkan oleh BTS saya akan menghemat sekitar dua dolar setahun. Dengan kata lain, saya akan menghapus 0,02 kWh dari total tagihan listrik bulanan saya, yang mencapai 19 kWh di musim dingin.
Ini tidak berarti bahwa semua ini sepenuhnya sia-sia. Gagasan ini dapat bermanfaat untuk mentransmisikan energi nirkabel. Gelombang mikro dapat difokuskan pada area yang cukup kecil. Dengan perhitungan tertentu, pemancar dapat menggunakan interferensi multipath di sebagian besar situasi untuk secara efisien mentransfer energi ke area target kecil, meninggalkan kepadatan energi di semua tempat lain di ruang sekitarnya yang relatif rendah (sehingga tidak ada yang harus melewati 100 watt melalui balok). Dalam kondisi seperti itu, sistem antena yang sangat fleksibel dan efisien menjadi lebih mudah untuk diimplementasikan. Dengan efisiensi konversi yang dapat diterima, kebanyakan dari kita akan menyukainya.
Kasus penggunaan lain adalah membuat jaringan WiFi yang ditingkatkan. Sebagian besar masalah jaringan saat ini berasal dari gangguan, atau gangguan multipath dari pemancar WiFi Anda, atau perjuangan untuk saluran dari tetangga. Untuk memperbaiki situasi ini, akan mungkin untuk mengatur antena tersebut (tanpa sirkuit konversi) di tempat-tempat strategis rumah sehingga mereka memblokir bagian dari gangguan. Mereka akan memiliki keunggulan dibandingkan selembar kertas aluminium karena area kerja efektif mereka lebih besar daripada ukuran fisiknya. Dalam kondisi tertentu, beberapa meter persegi foil dapat diganti dengan antena yang lebih kecil.
Apakah beberapa contoh seperti itu cukup untuk mulai mengembangkan sistem seperti itu? Tidak yakin Namun demikian, saya yakin skema antena seperti itu pasti akan muncul di perangkat apa pun.