ينقل الجهاز موجات الراديو بدون طاقة تقريبًا – دون انتهاك قوانين الفيزياء

للوهلة الأولى ، يبدو أن طريقة اتصال جديدة منخفضة الطاقة للغاية تنتهك قوانين الفيزياء. من الممكن نقل المعلومات لاسلكيًا ببساطة عن طريق فتح وإغلاق مفتاح يربط المقاوم بهوائي. لا حاجة لإرسال الطاقة إلى الهوائي.

يمكن أن يؤدي نظامنا ، جنبًا إلى جنب مع تقنيات حصاد الطاقة من البيئة ، إلى جميع أنواع الأجهزة التي تنقل البيانات ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الدقيقة والأجهزة الطبية المزروعة ، دون الحاجة إلى بطاريات أو مصادر طاقة أخرى. وتشمل هذه المستشعرات للزراعة الذكية ، والإلكترونيات المزروعة في الجسم التي لا تحتاج أبدًا إلى تغيير البطارية ، وبطاقات ائتمان أفضل بدون تلامس ، وربما حتى طرقًا جديدة للتواصل عبر الأقمار الصناعية.

بصرف النظر عن الطاقة اللازمة لقلب المفتاح ، لا توجد حاجة إلى طاقة أخرى لنقل المعلومات. في حالتنا ، يكون المفتاح عبارة عن ترانزستور ، وهو مفتاح يتم التحكم فيه كهربائيًا بدون أجزاء متحركة ويستهلك قدرًا ضئيلًا من الطاقة.

في أبسط أشكال الراديو العادي ، يربط مفتاح ويفصل مصدر إشارة كهربائية قوي – ربما مذبذب ينتج موجة جيبية تتأرجح 2 مليار مرة في الثانية – بهوائي الإرسال. عندما يتم توصيل مصدر الإشارة ، يصدر الهوائي موجة راديو ، تدل على 1. عند فصل المفتاح ، لا توجد موجة راديو ، تشير إلى 0.

ما أظهرناه هو أنه ليست هناك حاجة إلى مصدر إشارة يعمل بالطاقة. بدلاً من ذلك ، يمكن للضوضاء الحرارية العشوائية ، الموجودة في جميع المواد الموصلة للكهرباء بسبب حركة الإلكترونات المدفوعة بالحرارة ، أن تحل محل الإشارة التي تقود الهوائي.

لا وجبة غداء مجانية

نحن مهندسون كهربائيون يبحثون عن الأنظمة اللاسلكية. خلال مراجعة الأقران لورقتنا حول هذا البحث ، والتي نُشرت مؤخرًا في Proceedings of the National Academy of Sciences ، طلب منا المراجعون شرح سبب عدم انتهاك الطريقة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، القانون الرئيسي للفيزياء الذي يشرح سبب استخدام آلات الحركة الدائمة غير ممكن.

آلات الحركة الدائمة هي آلات نظرية يمكنها العمل إلى أجل غير مسمى دون الحاجة إلى طاقة من أي مصدر خارجي. كان المراجعون قلقين من أنه إذا كان من الممكن إرسال واستقبال المعلومات بدون مكونات تعمل بالطاقة ، ومع كل من المرسل والمستقبل بنفس درجة الحرارة ، فهذا يعني أنه يمكنك إنشاء آلة دائمة الحركة. لأن هذا مستحيل ، فإنه يعني أنه كان هناك خطأ ما في عملنا أو فهمنا له.

إحدى الطرق التي يمكن بها ذكر القانون الثاني هي أن الحرارة ستتدفق تلقائيًا فقط من الأجسام الأكثر سخونة إلى الأجسام الباردة. الإشارات اللاسلكية من جهاز الإرسال الخاص بنا تنقل الحرارة. إذا كان هناك تدفق تلقائي للإشارة من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال في حالة عدم وجود اختلاف في درجة الحرارة بين الاثنين ، فيمكنك حصاد هذا التدفق للحصول على طاقة مجانية ، في انتهاك للقانون الثاني.

إن حل هذه المفارقة الظاهرة هو أن جهاز الاستقبال في نظامنا يعمل بالطاقة ويعمل مثل الثلاجة. يتم الاحتفاظ بالإلكترونات الحاملة للإشارة على جانب الاستقبال باردة بشكل فعال بواسطة مكبر كهربائي ، على غرار الطريقة التي تحافظ بها الثلاجة على برودة الجزء الداخلي من خلال ضخ الحرارة باستمرار. لا يستهلك جهاز الإرسال أي طاقة تقريبًا ، لكن جهاز الاستقبال يستهلك طاقة كبيرة تصل إلى 2 واط. هذا مشابه لأجهزة الاستقبال في أنظمة الاتصالات الأخرى منخفضة الطاقة للغاية. يحدث كل استهلاك الطاقة تقريبًا في محطة أساسية ليس لها قيود على استخدام الطاقة.

نهج أبسط

كان العديد من الباحثين في جميع أنحاء العالم يستكشفون طرق الاتصال السلبي ذات الصلة ، والمعروفة باسم التشتت الخلفي. يبدو جهاز إرسال البيانات المرتدة مشابهًا جدًا لجهاز إرسال البيانات الخاص بنا. الفرق هو أنه في نظام الاتصال المرتد ، بالإضافة إلى مرسل البيانات ومستقبل البيانات ، هناك مكون ثالث يولد موجة راديوية. التبديل الذي يقوم به مرسل البيانات له تأثير انعكاس تلك الموجة الراديوية ، والتي يتم التقاطها بعد ذلك من جهاز الاستقبال.

جهاز التشتت العكسي له نفس كفاءة الطاقة التي يتمتع بها نظامنا ، ولكن إعداد التشتت العكسي أكثر تعقيدًا ، حيث يلزم وجود مكون لتوليد الإشارة. ومع ذلك ، فإن نظامنا لديه معدل بيانات ونطاق أقل من أجهزة الراديو المرتدة أو أجهزة الراديو التقليدية.

ماذا بعد

يتمثل أحد مجالات العمل المستقبلي في تحسين معدل ومدى بيانات نظامنا ، واختباره في تطبيقات مثل الأجهزة المزروعة. بالنسبة للأجهزة المزروعة ، تتمثل إحدى ميزات طريقتنا الجديدة في عدم وجود حاجة لتعريض المريض لإشارة لاسلكية خارجية قوية ، مما قد يتسبب في تسخين الأنسجة. والأكثر إثارة ، نعتقد أن الأفكار ذات الصلة يمكن أن تمكن أشكالًا جديدة أخرى من الاتصال يمكن فيها تعديل مصادر الإشارات الطبيعية الأخرى ، مثل الضوضاء الحرارية من الأنسجة البيولوجية أو المكونات الإلكترونية الأخرى.

أخيرًا ، قد يؤدي هذا العمل إلى روابط جديدة بين دراسة الحرارة (الديناميكا الحرارية) ودراسة الاتصال (نظرية المعلومات). غالبًا ما يُنظر إلى هذه الحقول على أنها متشابهة ، لكن هذا العمل يقترح بعض الروابط الحرفية بينها.