L’appareil transmet des ondes radio presque sans alimentation – sans violer les lois de la physique

Une nouvelle méthode de communication ultra-basse consommation semble à première vue violer les lois de la physique. Il est possible de transmettre sans fil des informations simplement en ouvrant et en fermant un interrupteur qui relie une résistance à une antenne. Pas besoin d’alimenter l’antenne.

Notre système, combiné à des techniques de récolter l’énergie de l’environnementpourrait conduire à toutes sortes d’appareils qui transmettent des données, y compris de minuscules capteurs et des dispositifs médicaux implantés, sans avoir besoin de piles ou d’autres sources d’alimentation. Ceux-ci comprennent des capteurs pour agriculture intelligente, électronique implantée dans le corps qui n’ont jamais besoin de changer de batterie, mieux cartes de crédit sans contact et peut-être même de nouvelles façons de satellites communiquer.

Hormis l’énergie nécessaire pour actionner l’interrupteur, aucune autre énergie n’est nécessaire pour transmettre l’information. Dans notre cas, l’interrupteur est un transistor, un interrupteur à commande électrique sans pièces mobiles qui consomme une quantité infime d’énergie.

Dans la forme la plus simple de la radio ordinaire, un commutateur connecte et déconnecte une source de signal électrique puissant – peut-être un oscillateur qui produit une onde sinusoïdale fluctuant 2 milliards de fois par seconde – au antenne d’émission. Lorsque la source du signal est connectée, l’antenne produit une onde radio, indiquant un 1. Lorsque le commutateur est déconnecté, il n’y a pas d’onde radio, indiquant un 0.

Ce que nous avons montré, c’est qu’une source de signal alimentée n’est pas nécessaire. Au lieu de cela, le bruit thermique aléatoire, présent dans tous les matériaux électriquement conducteurs en raison du mouvement thermique des électrons, peut prendre la place du signal entraînant l’antenne.

Pas de repas gratuit

Nous sommes ingénieurs électriciens qui rechercher des systèmes sans fil. Lors de l’examen par les pairs de notre papier à propos de cette recherche, publiée récemment dans Actes de l’Académie nationale des sciences, les examinateurs nous ont demandé d’expliquer pourquoi la méthode n’enfreignait pas les deuxième loi de la thermodynamiquela loi principale de la physique qui explique pourquoi machines à mouvement perpétuel ne sont pas possibles.

Les machines à mouvement perpétuel sont des machines théoriques qui peuvent fonctionner indéfiniment sans nécessiter d’énergie provenant d’une source externe. Les examinateurs craignaient que s’il était possible d’envoyer et de recevoir des informations sans composants alimentés, et avec l’émetteur et le récepteur à la même température, cela signifierait que vous pourriez créer une machine à mouvement perpétuel. Parce que c’est impossible, cela impliquerait qu’il y avait quelque chose qui n’allait pas dans notre travail ou dans notre compréhension de celui-ci.

Un graphique dans la moitié supérieure montrant un cylindre horizontal sur la gauche avec un tuyau s'étendant vers la droite avec un coude à 90 degrés vers le haut se connectant à un triangle inversé avec des paires de lignes courbes de chaque côté, et dans la moitié inférieure le même mais déconnecté

Les électrons qui se déplacent naturellement à l’intérieur d’une résistance à température ambiante affectent les électrons dans une antenne connectée, ce qui amène l’antenne à générer des ondes radio. Connecter et déconnecter l’antenne produit les uns et les zéros d’un signal binaire.
Zerina Kapetanovic, CC BY-ND

Une façon d’énoncer la deuxième loi est que la chaleur ne circulera spontanément que des objets les plus chauds vers les objets les plus froids. Les signaux sans fil de notre émetteur transportent de la chaleur. S’il y avait un flux spontané de signal de l’émetteur vers le récepteur en l’absence de différence de température entre les deux, vous pourriez récolter ce flux pour obtenir de l’énergie gratuite, en violation de la deuxième loi.

La résolution de ce paradoxe apparent est que le récepteur de notre système est alimenté et agit comme un réfrigérateur. Les électrons porteurs de signaux du côté réception sont efficacement maintenus au froid par l’amplificateur alimenté, de la même manière qu’un réfrigérateur garde son intérieur froid en pompant continuellement de la chaleur. L’émetteur ne consomme presque pas d’énergie, mais le récepteur consomme une puissance substantielle, jusqu’à 2 watts. Ceci est similaire aux récepteurs d’autres systèmes de communication à très faible puissance. La quasi-totalité de la consommation d’énergie se produit dans une station de base qui n’a pas de contraintes sur la consommation d’énergie.

Une approche plus simple

De nombreux chercheurs du monde entier ont exploré des méthodes de communication passive connexes, connues sous le nom de rétrodiffusion. Un émetteur de données de rétrodiffusion ressemble beaucoup à notre appareil émetteur de données. La différence est que dans un système de communication par rétrodiffusion, en plus de l’émetteur de données et du récepteur de données, il existe un troisième composant qui génère une onde radio. La commutation effectuée par l’émetteur de données a pour effet de réfléchir cette onde radio, qui est ensuite captée au niveau du récepteur.

https://www.youtube.com/watch?v=gX9cbxLSOKE

Un exemple de communications sans fil non alimentées par rétrodiffusion.

UN dispositif de rétrodiffusion a la même efficacité énergétique que notre système, mais la configuration de la rétrodiffusion est beaucoup plus complexe, car un composant générateur de signal est nécessaire. Cependant, notre système a un débit de données et une portée inférieurs à ceux des radios à rétrodiffusion ou des radios conventionnelles.

Et après

Un domaine de travail futur consiste à améliorer le débit et la portée des données de notre système et à le tester dans des applications telles que les dispositifs implantés. Pour les dispositifs implantés, un avantage de notre nouvelle méthode est qu’il n’est pas nécessaire d’exposer le patient à un signal radio externe puissant, qui peut provoquer un échauffement des tissus. Encore plus excitant, nous pensons que des idées connexes pourraient permettre d’autres nouvelles formes de communication dans lesquelles d’autres sources de signaux naturels, telles que le bruit thermique des tissus biologiques ou d’autres composants électroniques, peuvent être modulées.

Enfin, ce travail peut conduire à de nouvelles connexions entre l’étude de la chaleur (thermodynamique) et l’étude de la communication (théorie de l’information). Ces domaines sont souvent considérés comme analogues, mais ce travail suggère des liens plus littéraux entre eux.

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