Антилазеру и не снилось:беспрецедентный КПД в передаче энергии

Работает катушка Тесла. Предоставлено: Airarcs

Уже около 130 лет, а точнее с 1891 года, – с тех самых пор, как Никола Тесла провёл опыты со своей катушкой, испускавшей молнии электричества во всех направлениях, – учёные ищут способы передачи электроэнергии по воздуху. И вот сейчас мы живём во времена, когда зарядить смартфон по беспроводной сети на расстоянии дюйма от источника – уже вполне обычное дело. Хотя передать энергию без использования кабельной электропроводки из одного конца квартиры в другой и уж тем более через здание, – всё ещё недоступная технология. 

Но теперь человечество не просто мечтает заряжать телефоны, ноутбуки (или даже медицинские устройства вроде кардиостимуляторов) без проводов и розеток, но старается решить возникающие при этом сложности: как заставить заряд электричества найти намеченную цель; как заставить эту цель поглощать его, а не отражать обратно; как сделать эту передачу безопасной для нас и животных от поражений электротоками на всём протяжении их пути?

Большинство классических технологий на волновой основе имеют бреши в схемах формирования эффективного распределения энергии по целевым устройствам. А минимизация потерь для них и вовсе постоянная проблема. Что же касается новых методов, они заключаются в фокусировке узких лучей энергии и их «наведении на цель». Эти способы демонстрируют некоторый успех, но пока не очень эффективны. Да и кишащие вокруг сфокусированные электромагнитные лучи, мягко говоря, тревожат.

Однако группа исследователей из университетов Мэриленда и Уэслиан (США) разработала улучшенный метод беспроводной передачи энергии без прицельных и очень плотно сфокусированных лучей, который расширяет применимость беспроводной транспортировки энергии до больших расстояний.

Возглавляемое Стивеном Анлэйджем из Центра квантовых материалов (QMC), профессором физики из университета Мэриленда, исследование демонстрирует возможность создания когерентного идеального поглотителя вне лазерных моделей, что фактически очень ослабляет некоторые ключевые ограничения более ранних разработок. Вместо упора на прямолинейное движение направленных лучей в поглощающую мишень, выбор пал на геометрию беспорядочного движения фотонов вокруг неё.

«Мы хотели увидеть этот эффект в совершенно общей среде, где нет ограничений, – говорит Анлэйдж. – Мы хотели создать своего рода случайную, произвольную, сложную среду, и мы хотели, чтобы происходило идеальное поглощение в этих действительно сложных обстоятельствах. Такова была мотивация, и мы это сделали».

Целью коллектива стало создание такого устройства, которое могло бы получать энергию от более рассеянного источника, то есть от чего-то менее концентрированного (сфокусированного), чем луч, но более насыщенного, сравнимого с богатым влагой воздухом бани. Прежде всего прочего, на основе часто используемых в передаче энергии микроволн, учёные создали свой универсальный антилазер (устройство, принимающее лазерный луч, а не испускающее его) в виде лабиринта из беспорядочно связанных электромагнитных проводников, чтобы проходящие там микроволны запутались настолько, что возможности распутать их не было бы.

В сердце установки, посреди этого лабиринта, поместили поглотитель энергии – ту самую цель, на которую нужно было наводить луч в лазерных вариантах технологии. Путём замеров и изучения трансформации отправленного в лабиринт микроволнового излучения различной частоты, амплитуды и фазы, были найдены точные свойства входящих сигналов, идеальные для передачи энергии на поглотитель. Обнаружено, что для правильно выбранных входящих микроволн лабиринт поглощал беспрецедентные 99,999% энергии, посланных в лабиринт. Это значит, что когерентное идеальное поглощение энергии может быть достигнуто даже без прицельного лазерного залпа по поглотителю.

Профессор Анлэйдж и его коллеги утверждают, что доказанная и показанная сейчас неприхотливость когерентного совершенного поглощения к какому-либо порядку в окружающей среде обещает применимость этой модели передачи энергии по воздуху практически везде, в любых обычных условиях.

Да, такие схемы потребуют, чтобы частота, амплитуда и фаза электроэнергии настраивались индивидуально для конкретных целей-устройств. Но, тем не менее, уже не будет необходимости фокусировать мощный луч и направлять его на ноутбук или телефон – электрические волны сами сумеют обнаружить выбранную цель.

Несмотря на то, что выбрасывать зарядные устройства ещё рано, когерентное идеальное поглощение может пригодиться во многих отношениях. Создатели метода заявляют, что этот способ не только универсален для любых целей, но и не ограничивается микроволновой или оптической передачей энергии.

«Это не связано с какой-то одной конкретной технологией, – говорит Анлэйдж, – это очень общее волновое явление. И тот факт, что это сделано в микроволнах, объясняется тем, что сильные стороны моей лаборатории именно в этом. Но вы могли бы всё это сделать с акустикой, волнами материи, с холодными атомами. Вы могли бы сделать это во многих, многих различных контекстах».

АРМК, по материалам Nature Communications