Преобразователь WiFi в энергию непригоден к использованию, но, тем не менее, может оказаться источником энергии будущего

Я немного повёрнут на энергоэффективности. Меня расстраивает тот факт, что идиоты, строившие мой дом, не использовали новейшую доступную на момент постройки информацию — ведь тогда моему дому почти не требовалось бы отопление. И одна из наиболее интересных для меня вещей — перспектива повторного использования выброшенной энергии. Мне нравится идея о сборе энергии, которая в ином случае просто обречена на рассеивание в окружающей среде, и превращении её во что-то полезное.

Поэтому работа по повторному использованию микроволновой энергии не могла пройти мимо меня. К сожалению, сбор WiFi излучения вряд ли даст нам что-то полезное. Но сначала давайте посмотрим на очень интересные идеи, стоящие за этим устройством.

Прекращение отражений

Базовая идея сбора WiFi излучения довольно стара: нужно просто сделать схему, поглощающую всю микроволновую энергию. Возьмём искусственный пример: представим себе микроволновый импульс, идущий по кусочку коаксиального кабеля. Коаксиальный кабель состоит из центрального проводящего провода, окружённого цилиндром из не проводящего ток диэлектрика, и всё это завёрнуто в проводник. Энергия микроволн не передаётся по центральному проводу. Она находится в электрических и магнитных полях в диэлектрике. Они распространяются по кабелю как волны, со скоростью, зависящей, в частности, от свойств диэлектрика.

Когда волна доходит до конца кабеля, у неё появляется проблема. Прямо на границе между воздухом и диэлектриком ей нужно мгновенно перейти с одной скорости на другую. Если бы вся энергия микроволн передавалась бы с конца кабеля, то у электрического поля в одном и том же месте было бы два разных значения, а этого не бывает. Поэтому волна отражается от конца и возвращается по кабелю (в процессе, вероятно, уничтожая передатчик).

Если мы не хотим, чтобы энергия отразилась, нам нужно ограничить кабель так, чтобы с точки зрения микроволн кабель выглядел так, будто он тянется бесконечно. Эта концепция называется «согласованием», и является краеугольной в разработке микроволновой электроники, оптике и в принципе в физике и инженерной области.

В случае с коаксиальным кабелем диэлектрик обычно выбирается так, чтобы резистор в 50 Ом согласовывался со свойствами кабеля. Так что если я размещу резистор в 50 Ом между внешним проводящим покрытием и центральным кабелем, вся энергия микроволн будет поглощена резистором.

Для коаксиального кабеля или вообще любой линии передачи разработка электрических схем, согласующихся со свойствами линии — задача несложная. У антенны в вашем мобильнике именно такая схема: антенна и её оконечная схема должны соответствовать друг другу и как можно лучше соответствовать свойствам распространения в пространстве. Хорошее согласование означает способность маленькой антенны поглотить много излучения.

Потери WiFi

Ограничения у WiFi такие же, как у приёмников. Но его энергия не просто уходит в принимающую антенну, она распространяется гораздо шире. Это значит, что большая её часть пропадает. Если бы мы разместили по всей площади правильные антенны, мы смогли бы вернуть часть этой энергии. Но оказывается, что это довольно сложная задача.

Во-первых, такие приёмники необходимо было бы встраивать в стены дома или квартиры. А это значит, что, в отличие от антенн на устройствах, их нельзя настроить на оптимальный приём. Сигналы WiFi приходят со всех направлений, и поляризация (пространственная ориентация электрического поля по отношению к направлению распространения волны) может быть любой. Антенны чувствительны и к направлению, и к поляризации.

Потом, энергия довольно сильно размазывается. Вблизи источника излучается порядка 10 мВт энергии. Но если отойти на 10 метров, то энергия, проходящая сквозь ваше тело, уменьшиться до 10-20 мкВт. Потери накапливаются. Расстояние — это проблема, и если ваша антенна настроена только на одну поляризацию, вы уже потеряете половину энергии. Добавьте все потери в схеме, собирающей энергию и преобразующей её в постоянный ток. Всё это начинает выглядеть очень сложно.

Строим метаантенны

Чтобы обойти такие проблемы, три исследователя предложили антенную сеть, пытающуюся минимизировать эти потери.

Сначала нужно устранить зависимость от поляризации. Они подошли к этому, разработав плоскую антенну, оптимально реагирующую и на вертикальную, и на горизонтальную поляризацию микроволн. Хотя антенны реагируют на обе поляризации, физическое расположение провода, соединяющего антенну с остальной схемой, определяет, какая из поляризаций выдаёт энергию. Антенны с проводами сбоку чувствительны к горизонтально поляризованному свету, а антенны с проводами сверху чувствительны к вертикально поляризованному свету [у автора написано light — свет. Возможно, он ошибся и имел в виду просто радиоволны / прим. перев.].

Уточню, что соединительные провода также можно рассматривать, как антенны, которым принимающая плоская антенна переизлучает полученную энергию.

Чтобы создать собирающее энергию устройство на таком принципе, исследователи создали решётку из антенн. Нечётные столбцы антенн были настроены на приём вертикально поляризованного света, а чётные — горизонтально.

Вам может показаться, что всё это глупо, поскольку с каждой поляризации вы теряете половину энергии. Не в этом случае. Все антенны общаются друг с другом. Столбец антенн с проводами сверху всё равно принимает обе поляризации. Вертикально поляризованные микроволны передаются проводам, расположенным сверху каждой антенны. Горизонтально поляризованные микроволны передаются антеннам в соседних столбцах, где они попадают в провода, расположенные со стороны каждой антенны. С правильной схемой вся энергия может быть передана на контур преобразователя.

Так что антенна выглядит, как решётка металлических пластин, расположенных на материале, не проводящем ток. И, как у нашего коаксиального кабеля из примера, собираемая антенной энергия хранится в полях, находящихся в диэлектрике. Это значит, что нам нужен диэлектрик, поглощающий минимум энергии. Количество энергии, поглощаемой диэлектриком, часто обозначается как тангенс угла потерь. Исследователи искали и нашли материал, с тангенсом угла потерь примерно в 100 раз меньше, чем у тех, что обычно используются в печатных платах.

Не подпускайте к моей модели реальность

В моделях, конечно, массив антенн поглощает 100% энергии излучения WiFi (точнее, WiFi 2,4 ГГц). Но как это работает на практике? Тут всё немного усложняется. Если измерять энергию, приходящую на соединительные провода, напрямую, то можно получить порядка 97% передачи, что в принципе круто.

Но мы хотим использовать эту энергию, и вот тут-то всё и портится. Если провода напрямую подключать к нагрузочному сопротивлению (и превращать энергию WiFi в тепло), всё работает неплохо и 92% излучения поглощается сопротивлением. Потеря в 5% происходит из-за поглощения в диэлектрике в процессе передачи энергии к резисторам.

Реальные потери начинаются при преобразовании энергии микроволн в пригодный для использования электрический сигнал постоянного тока. Даже в моделях получается не более 80%. В экспериментах исследователям удалось довести результат до 70%. Я бы согласился на 70%, но не в этот раз. Проблема в том, что 70% эффективность получается только при достаточно большой мощности первичного сигнала. Исследователи тестировали этот сигнал с энергиями (и это полная энергия, попадающая на решётку антенн, а не та, что излучалась изначально) от 1 до 10 мВт. В случае с 1 мВт эффективность преобразования равнялась 30%. Линейная зависимость (на логарифмической шкале) говорит о том, что если в реальном мире передатчик мощностью в 100 мВт будет расположен в 10 м от антенны, то антенна получит энергию порядка микроватт. А это соответствует эффективности преобразования в 5%, что не очень хорошо.

Исследователи утверждают, что проблема кроется в сети преобразования энергии. При передаче энергии микроволн туда, где идёт её преобразование в постоянный ток, происходят потери. Ещё большие потери происходят на диодах. Диоды позволяют току течь в одном направлении, поэтому сеть диодов может взять колеблющееся микроволновое поле, где напряжение меняется от отрицательного к положительному каждые несколько наносекунд, и выдать положительное напряжение.

Но диоды неидеальны — им нужно время на переключение, им нужно, чтобы приложенное напряжение достигло определённого значения, прежде чем они позволят току течь. В результате существенная часть энергии микроволн не преобразовывается, а теряется в виде тепла, поскольку она не дотягивает до нужного уровня.

Я уверен, что эта проблема работы диодов фундаментальна, и что, хотя эти потери и можно немного уменьшить, я не думаю, что в ближайшее время мы сможем сделать на порядок более эффективные диоды. С другой стороны, думаю, что авторы могли бы уточнить, что на самом деле это не так уж важно. Раз все антенны связаны друг с другом, их решётку можно сделать больше, и общее количество принимаемой энергии станет достаточно большим для того, чтобы достичь пиковой эффективности.

Но я не уверен, что это сработает. На расстоянии в 10 м решётка из антенн должна покрывать всю стену комнаты. К несчастью, тогда вступают в силу другие проблемы. В настоящее время передача энергии от отдельных антенн к диодам стоит нам порядка 5% от общей энергии. Но потери масштабируются с расстоянием. В реальном мире, где антенны простираются по всей стене, расстояния увеличиваются примерно в 40 раз.

В итоге схема антенны получилась крутой. Её преимущество в том, что она работает вне зависимости от ориентации по отношению к WiFi-передатчику и от помех. Но антенную приходится соединять с неидеальными компонентами, и из-за этого получается очень сложно представить, как заставить её работать в реальности.

Верните мне мой полуватт

А если бы мы могли это сделать, стоило бы оно того? «Да», думает мой мозг, озабоченный энергоэффективностью, «конечно». Но после продолжительной обработки оставшейся части моего мозга кофеином идея начинает выглядеть не такой уж стоящей.

Согласно спецификациям моих базовых станций, энергия передатчика не выходит за пределы 100-200 мВт на канал. У меня одна двухканальная и одна трёхканальная станция, что даёт максимальную суммарную мощность в 800 мВт. Согласно моему счёту за электричество выходит 0,02 кВт*ч за месяц. Энергией, поглощённой моими подключёнными устройствами, можно пренебречь. Мой компьютер сообщает о силе сигнала в -54 дБм, что соответствует значению, чуть меньшему, чем 4 мкВт. Предположим, что вся передаваемая по WiFi энергия доступна для улавливания.

Это значит, что улавливание энергии микроволнового излучения, испускаемого моими базовыми станциями, сохранило бы мне порядка двух долларов в год. Иначе говоря, я бы убрал 0,02 кВт*ч из моего общего месячного счёта за потребление электричество, по которому зимой набегает до 19 кВт*ч.

Это не означает, что всё это совершенно зря. Эта идея может быть ценной для передачи беспроводной энергии. Микроволны можно сфокусировать на довольно малом участке. С определёнными вычислениями передатчик может использовать многолучевую интерференцию в большинстве ситуаций для эффективной передачи энергии на небольшую целевую область, оставляя плотность энергии во всех остальных местах окружающего пространства относительно низкой (чтобы никому не пришлось пройти сквозь луч мощность 100 Вт). При таких условиях чрезвычайно гибкая и эффективная система антенн становится гораздо более простой для реализации. При приемлемой эффективности преобразования большинству из нас она придётся по душе.

Другой вариант использования — создание улучшенных WiFi-сетей. Большая часть проблем сегодняшних сетей происходит из интерференции, либо многолучевой интерференции вашего WiFi-передатчика, либо борьбы за каналы у соседей. Чтобы исправить это положение, можно было бы расположить подобные антенны (без схем преобразования) в стратегических местах дома так, чтобы они блокировали часть помех. Преимущество перед листом алюминиевой фольги у них будет в том, что их эффективная площадь действия оказывается больше их физического размера. При определённых условиях несколько квадратных метров фольги можно будет заменить антенной меньшего размера.

Достаточно ли пары таких примеров для старта разработки подобной системы? Не уверен. Тем не менее, уверен, что такая схема антенн обязательно появится в каком-либо устройстве.