O conversor de WiFi em energia é inutilizável, mas pode ser uma fonte de energia para o futuro
Estou um pouco excitado com a eficiência energética. Estou frustrado pelo fato de os idiotas que construíram minha casa não terem usado as informações mais recentes disponíveis no momento da construção - porque minha casa dificilmente precisaria de aquecimento. E uma das coisas mais interessantes para mim é a perspectiva de reutilizar a energia liberada. Gosto da idéia de coletar energia, que de outra forma está simplesmente fadada a se dissipar no ambiente e transformá-la em algo útil.
Portanto, o
trabalho de reutilizar a energia de microondas não pôde passar por mim. Infelizmente, é improvável que a coleta de radiação WiFi nos forneça algo útil. Mas primeiro, vejamos as idéias muito interessantes por trás deste dispositivo.
Cessação de reflexões
A idéia básica de coletar radiação WiFi é bastante antiga: você só precisa fazer um circuito que absorva toda a energia de microondas. Tomemos um exemplo artificial: imagine um pulso de microondas viajando através de um pedaço de cabo coaxial. Um cabo coaxial consiste em um fio condutor central cercado por um cilindro de dielétrico não condutor, e tudo isso é enrolado em um condutor. A energia de microondas não é transmitida através do fio central. Está localizado em campos elétricos e magnéticos em um dielétrico. Eles se propagam através do cabo como ondas, com uma velocidade que depende, em particular, das propriedades do dielétrico.
Quando a onda atinge o final do cabo, há um problema. Bem na fronteira entre o ar e o dielétrico, ela precisa mudar instantaneamente de uma velocidade para outra. Se toda a energia das microondas fosse transmitida a partir da extremidade do cabo, o campo elétrico no mesmo local teria dois valores diferentes, mas isso não acontece. Portanto, a onda é refletida a partir do final e retornada via cabo (no processo, provavelmente destruindo o transmissor).
Se não queremos que a energia seja refletida, precisamos limitar o cabo para que, do ponto de vista das microondas, o cabo pareça esticar-se sem parar. Esse conceito é chamado de "correspondência" e é a pedra angular no desenvolvimento de eletrônica de microondas, óptica e, em princípio, em física e engenharia.
No caso de um cabo coaxial, o dielétrico geralmente é escolhido para que o resistor de 50 ohm corresponda às propriedades do cabo. Portanto, se eu colocar um resistor de 50 ohm entre o revestimento condutor externo e o cabo central, toda a energia de microondas será absorvida pelo resistor.
Para um cabo coaxial ou qualquer linha de transmissão em geral, o desenvolvimento de circuitos elétricos consistentes com as propriedades da linha é uma tarefa simples. A antena do seu telefone celular tem exatamente esse esquema: a antena e seu circuito terminal devem coincidir e combinar as propriedades de propagação no espaço da melhor maneira possível. Um bom alinhamento significa a capacidade de uma pequena antena absorver muita radiação.
Perda de WiFi
As restrições para WiFi são as mesmas que para os receptores. Mas sua energia não vai apenas para a antena receptora, ela se espalha muito mais. Isso significa que a maior parte desaparece. Se colocássemos as antenas certas sobre toda a área, poderíamos recuperar parte dessa energia. Mas acontece que essa é uma tarefa bastante difícil.
Primeiro, esses receptores precisariam ser embutidos nas paredes de uma casa ou apartamento. Isso significa que, diferentemente das antenas dos dispositivos, elas não podem ser sintonizadas para uma recepção ideal. Os sinais de WiFi vêm de todas as direções e pode haver qualquer polarização (orientação espacial do campo elétrico em relação à direção da propagação da onda). As antenas são sensíveis à direção e à polarização.
Então, a energia é praticamente borrada. Perto da fonte, são emitidos cerca de 10 mW de energia. Mas se você se mover 10 metros, a energia que passa pelo seu corpo diminuirá para 10-20 μW. Perdas se acumulam. A distância é um problema e, se sua antena estiver sintonizada em apenas uma polarização, você já perderá metade da energia. Adicione todas as perdas em um circuito que coleta energia e a converte em corrente contínua. Tudo começa a parecer muito complicado.
Construindo meta-antenas
Para contornar esses problemas, três pesquisadores propuseram uma rede de antenas tentando minimizar essas perdas.
Primeiro você precisa eliminar a dependência da polarização. Eles abordaram isso desenvolvendo uma antena plana que responde de maneira ideal à polarização vertical e horizontal das microondas. Embora as antenas respondam a ambas as polarizações, a localização física do fio que conecta a antena ao restante do circuito determina qual polarização gera energia. As antenas com fios laterais são sensíveis à luz polarizada horizontalmente, e as antenas com fios na parte superior são sensíveis à luz polarizada verticalmente [
o autor diz luz - luz. Talvez ele estivesse enganado e quis dizer apenas ondas de rádio / aprox. perev. ]
Esclarecerei que os fios de conexão também podem ser considerados antenas pelas quais a antena plana receptora irradia novamente a energia recebida.
Para criar um dispositivo de coleta de energia com base nesse princípio, os pesquisadores criaram uma série de antenas. As colunas ímpares das antenas foram sintonizadas para receber luz polarizada verticalmente e as colunas pares horizontalmente.
Pode parecer para você que tudo isso é estúpido, porque a cada polarização você perde metade da energia. Não neste caso. Todas as antenas se comunicam. A coluna de antenas com fios no topo ainda aceita as duas polarizações. As microondas polarizadas verticalmente são transmitidas aos fios localizados na parte superior de cada antena. As microondas polarizadas horizontalmente são transmitidas para as antenas em colunas adjacentes, onde entram nos fios localizados na lateral de cada antena. Com o circuito correto, toda a energia pode ser transferida para o circuito conversor.
Portanto, a antena parece uma treliça de placas de metal localizadas em um material que não conduz corrente. E, como em nosso exemplo de cabo coaxial, a energia coletada pela antena é armazenada em campos no dielétrico. Isso significa que precisamos de um dielétrico que absorva um mínimo de energia. A quantidade de energia absorvida por um dielétrico é freqüentemente chamada de tangente de perda. Os pesquisadores pesquisaram e encontraram material com uma perda tangente de cerca de 100 vezes menos do que os comumente usados em placas de circuito impresso.
Manter fora da minha realidade modelo
Nos modelos, é claro, o conjunto de antenas absorve 100% da energia de radiação WiFi (mais precisamente, WiFi de 2,4 GHz). Mas como isso funciona na prática? Tudo é um pouco complicado aqui. Se você medir a energia que chega diretamente aos fios de conexão, poderá obter cerca de 97% da transmissão, o que é basicamente legal.
Mas queremos usar essa energia, e aqui tudo estraga. Se você conectar diretamente os fios à resistência da carga (e transformar a energia do WiFi em calor), tudo funcionará bem e 92% da radiação será absorvida pela resistência. Ocorre uma perda de 5% devido à absorção no dielétrico durante a transferência de energia para os resistores.
As perdas reais começam quando as microondas são convertidas em sinais elétricos DC utilizáveis. Mesmo nos modelos, não passa de 80%. Nos experimentos, os pesquisadores conseguiram aumentar o resultado para 70%. Eu concordo com 70%, mas não desta vez. O problema é que 70% de eficiência é obtida apenas com uma potência suficientemente alta do sinal primário. Os pesquisadores testaram esse sinal com energias (e essa é a energia total que entra no conjunto de antenas, e não a que foi originalmente emitida) de 1 a 10 mW. No caso de 1 mW, a eficiência de conversão foi de 30%. A dependência linear (em escala logarítmica) sugere que se no mundo real um transmissor com capacidade de 100 mW estiver localizado a 10 m da antena, a antena receberá energia da ordem de microwatts. E isso corresponde a uma eficiência de conversão de 5%, o que não é muito bom.
Pesquisadores dizem que o problema está na rede de conversão de energia. Quando a energia das microondas é transferida para onde é convertida em corrente contínua, ocorrem perdas. Perdas ainda maiores ocorrem nos diodos. Os diodos permitem que a corrente flua em uma direção, para que uma rede de diodos possa pegar um campo oscilante de microondas, onde a tensão muda de negativa para positiva a cada poucos nanossegundos e produz uma tensão positiva.
Mas os diodos não são ideais - eles precisam de tempo para trocar, precisam da tensão aplicada para atingir um determinado valor antes de permitir que a corrente flua. Como resultado, uma parte significativa da energia das microondas não é convertida, mas perdida na forma de calor, porque não atinge o nível desejado.
Estou certo de que esse problema de operação dos diodos é fundamental e que, embora essas perdas possam ser um pouco reduzidas, não creio que, no futuro próximo, seremos capazes de tornar uma ordem de magnitude diodos mais eficientes. Por outro lado, acho que os autores poderiam esclarecer que isso não é realmente tão importante. Quando todas as antenas estiverem conectadas uma à outra, sua matriz poderá ser aumentada e a quantidade total de energia recebida se tornará grande o suficiente para atingir o pico de eficiência.
Mas não tenho certeza se isso vai funcionar. A uma distância de 10 m, o conjunto de antenas deve cobrir toda a parede da sala. Infelizmente, outros problemas entram em vigor. Atualmente, a transferência de energia de antenas individuais para diodos nos custa cerca de 5% da energia total. Mas as perdas escalam com a distância. No mundo real, onde as antenas se estendem através da parede, as distâncias aumentam cerca de 40 vezes.
Como resultado, o circuito da antena ficou legal. Sua vantagem é que ele funciona independentemente da orientação em relação ao transmissor e à interferência WiFi. Mas a antena precisa ser conectada com componentes imperfeitos e, por isso, é muito difícil imaginar como fazê-la funcionar na realidade.
Devolva meu meio watt
E se pudéssemos fazer isso, valeria a pena? "Sim", pensa meu cérebro, preocupado com a eficiência energética, "é claro". Mas, após um longo tratamento do resto do meu cérebro com cafeína, a idéia começa a parecer não valer a pena.
De acordo com as especificações das minhas estações base, a energia do transmissor não excede os 100-200 mW por canal. Eu tenho uma estação de dois canais e uma de três canais, que fornece uma potência total máxima de 800 mW. De acordo com minha conta de luz, sai 0,02 kWh por mês. A energia absorvida pelos meus dispositivos conectados pode ser negligenciada. Meu computador relata uma intensidade de sinal de -54 dBm, que corresponde a um valor ligeiramente inferior a 4 μW. Suponha que toda a energia transmitida por WiFi esteja disponível para captura.
Isso significa que capturar a energia da radiação de microondas emitida por minhas estações de base me economizaria cerca de dois dólares por ano. Em outras palavras, removeria 0,02 kWh da minha conta mensal total de eletricidade, que chega a 19 kWh no inverno.
Isso não significa que tudo isso seja completamente em vão. Essa ideia pode ser valiosa para transmitir energia sem fio. As microondas podem ser focadas em uma área relativamente pequena. Com certos cálculos, o transmissor pode usar a interferência de caminhos múltiplos na maioria das situações para transferir energia com eficiência para uma pequena área-alvo, deixando a densidade de energia em todos os outros lugares no espaço circundante relativamente baixa (para que ninguém precise passar 100 watts pelo feixe). Sob tais condições, um sistema de antena extremamente flexível e eficiente se torna muito mais simples de implementar. Com uma eficiência de conversão aceitável, a maioria de nós vai gostar.
Outro caso de uso é criar redes WiFi aprimoradas. A maioria dos problemas das redes de hoje vem de interferências ou interferências de caminhos múltiplos do seu transmissor WiFi, ou a luta por canais de vizinhos. Para corrigir essa situação, seria possível organizar essas antenas (sem circuitos de conversão) em locais estratégicos da casa, de forma a bloquear parte da interferência. Eles terão uma vantagem sobre uma folha de papel alumínio, pois sua área de ação efetiva é maior que seu tamanho físico. Sob certas condições, alguns metros quadrados de papel alumínio podem ser substituídos por uma antena menor.
Alguns exemplos são suficientes para começar a desenvolver esse sistema? Não tenho certeza. No entanto, tenho certeza de que esse esquema de antena certamente aparecerá em qualquer dispositivo.