「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

2020-11-20 12:32:27 2023 views
摘要

自從尼古拉·特斯拉在1891年用他的線圈成功試驗了無線電力傳輸以來,科學家們就一直在想辦法通過空氣傳輸電力。他們的夢想是為手機或筆記本電腦充電,甚至是為心臟起搏器等醫療設備充電,而不需要電線和插頭。

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

自從尼古拉·特斯拉在1891年用他的線圈成功試驗了無線電力傳輸以來,科學家們就一直在想辦法通過空氣傳輸電力。他們的夢想是為手機或筆記本電腦充電,甚至是為心臟起搏器等醫療設備充電,而不需要電線和插頭。難題的是如何讓電找到它的目標,並讓目標吸收電,而不是將電反射到空氣中,同時不會危及到沿途的任何人。

目前,只要將智能手機放在距離充電站一英寸以內的地方,就可以為其無線充電。但是,從一個房間的一側到另一個房間,甚至跨越一棟建築的遠距離無線電力傳輸仍然是未解決的難題。目前正在開發的大多數方法都涉及聚焦狹窄的能量束,並將其瞄準預定目標。這些方法取得了一定的成功,但迄今為止效率不高。而且讓聚焦的電磁束在空中飛來飛去,讓人感到不安。

現在,美國馬里蘭大學的一個研究小組與康涅狄格州衛斯理安大學合作,開發出了一種改進的無線電力傳輸技術,可能有望在沒有狹隘聚焦和定向能量束的情況下實現遠距離電力傳輸,他們的研究成果拓寬了以往無線電力傳輸技術的適用性。

該研究團隊提出了一個被稱為 "反激光 "的概念。在激光器中,一個光子會引發許多同色光子的級聯,以相干光束的形式射出。在反激光器中,情況正好相反。反激光不是增加光子的數量,而是相干地、完美地吸收許多精確調整的光子束,這有點像激光在時間上倒退運行。

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

馬里蘭大學量子材料中心的物理學教授史蒂文·安拉奇

馬里蘭大學量子材料中心的物理學教授史蒂文·安拉奇領導的研究團隊已經證明,在原有的時間倒轉激光框架之外設計一個相干的完美吸收器是可能的。他們沒有假設定向光束沿著直線進入吸收目標,而是選取了一個無序的、不便於在時間上反向運行的幾何體。

安拉奇說:"我們想在一個完全通用的環境中看到這種效果,在那裡沒有約束。我們想要一種隨機的、任意的、複雜的環境,我們想在那些真正苛刻的環境下讓完美的電力吸收發生。這就是我們的目標,我們做到了。"

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

CPA狀態測量的實驗設置

安拉奇團隊想要創造一種能夠從更漫射的源頭接收能量的設備。在解決無線挑戰之前,他們將通用反激光設置為一個迷宮,讓電磁波穿過。具體來說,他們使用了微波,這是一種常見的功率傳輸應用。這座迷宮由一堆電線和盒子組成,它們以一種有意的無序方式連接在一起。微波經過這個迷宮時,會糾纏在一起,即使可以逆轉時間,也無法解開它們。

埋在這個迷宮之中的是一個吸收器,也就是要傳遞力量的目標。研究小組將不同頻率、振幅和相位的微波送入迷宮,並測量它們是如何轉化的。根據這些測量結果,他們能夠計算出輸入微波的確切屬性,從而實現向吸收器的完美功率傳輸。他們發現,對於正確選擇的輸入微波,迷宮吸收了他們送入的99.999%的功率,這是前所未有的。這表明,即使沒有激光在時間上的倒退運行,也可以實現相干的完美吸收。

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

四面體圖中選定的S矩陣特徵值與衰減器設置的函數關係圖,顯示了近零交叉軌跡

隨後,該團隊向無線功率傳輸邁出了一步。他們在一個空腔中重複了實驗,這是一塊每個方向都有幾英尺長的黃銅板,中間有一個奇形怪狀的孔。洞的形狀被設計成微波會以一種不可預知的、混亂的方式在它周圍反彈。他們在洞內放置了一個功率吸收器,並將微波送入洞內的開放空間,使其在洞內反彈。他們能夠找到合適的輸入微波條件,以99.996%的效率實現相干完美吸收。

法國和奧地利的一個團隊最近也在自己的無序微波迷宮中證明了相干完美吸收。然而,他們的實驗並不像安拉奇團隊的研究那樣具有普遍性。在之前的研究工作中,進入迷宮的微波仍然會被假設的時間逆轉所解開。這似乎是一個微妙的區別,但科學家們說,顯示出相干的完美吸收不需要環境中的任何一種秩序,幾乎在任何地方都可以適用。

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兩個CPA狀態的演示

以這種方式出現的技術可能會引出一些聽起來像科幻小說的想法,比如能夠以近乎完美的效率,對複雜環境中的任何物體,比如辦公樓進行無線和遠程充電。這樣的方案需要根據特定的目標定製調整電力的頻率、振幅和相位。但就不需要將高功率的光束聚焦並瞄準筆記本電腦或手機,電波本身將被設計成能找到它們所選擇的目標。

馬里蘭大學電氣和計算機工程研究生、論文的主要作者陳磊說:"如果我們有一個想要傳遞功率的物體,我們將首先使用我們的設備來測量系統的一些屬性,根據這些特性,我們可以得到這種系統特有的微波信號。而且會被物體完美地吸收。對於每一個獨特的物體,信號將是不同的,而且是特別設計的。"

「反激光」技術可能實現遠距離無線電力傳輸

理想化模擬中CPA狀態的電壓曲線和功率分布情況

雖然,這種技術顯示出了巨大的應用前景,但在無線和無插頭辦公室的出現之前,還有很多工作要做。完美的吸收器關鍵取決於功率是否被調整得恰到好處。環境的輕微變化,例如移動目標筆記本電腦或提高房間的百葉窗都需要立即重新調整所有參數。因此,需要有一種方法能夠快速有效地找到合適的條件,以便在電力傳輸中實現完美的吸收,而不需要使用過多的功率或帶寬。此外,還需要做更多的研究來確定這種技術在現實環境中的功效和安全性。

即使現在還沒有到扔掉所有電源線的時候,相干完美吸收可能在很多方面都會派上用場。它不僅通用於任何類型的目標,也不限於光學或微波。安拉奇教授表示:"它並不拘泥於某一種特定的技術,這是一種非常通用的波現象。事實上,它是在微波中完成的,只是因為這是我實驗室的優勢所在。但你可以用聲學來做這些,你也可以用物質波來做,你可以用冷原子來做。你可以在很多很多不同的背景下做到這一點。"

最新一期的《自然通訊》雜誌刊登了這篇研究報告。

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