Группа ученых и инженеров из Стэнфордского и Вашингтонского университетов разработала новую технологию маломощных радиокоммуникаций, которая, на первый взгляд, нарушает некоторые из базовых законов физики. Информация в этой системе передается путем замыкания и размыкания электронного ключа, транзистора, который соединяет резистор с антенной определенной конфигурации. При этом, в саму передающую антенну не подается никакой дополнительной энергии.
В обычных радиосистемах также присутствуют подобные ключи или их более сложные аналоги, называемые модуляторами. Эти ключи соединяют выходы генераторов синусоидальных сигналов большой частоты с передающей антенной или промежуточным усилителем мощности.
Но в новой системе генератор сигнала не требуется, вместо этого используются случайные тепловые помехи, возникающие в каждом электронном компоненте вследствие теплового движения свободных электронов. В данном случае роль электронного компонента выполняет специальный резистор, а в качестве ключа используется транзистор, не имеющий подвижных частей, так что все затраты энергии на стороне передатчика заключаются в очень малых количествах, требующихся лишь для переключения транзистора.
Все это выглядит столь невероятно, что во время проведения экспертной оценки данного достижения, рецензенты попросили исследователей предоставить объяснение того, как работа этой системы не нарушает второго закона термодинамики. Ибо в случае нарушения этого закона вышло бы так, что был изобретен новый вид вечного двигателя, что, как нам хорошо известно, принципиально невозможно.
Принцип передачи сигнала
И тут же вскрылась другая особенность данной системы. Согласно одной из интерпретаций второго закона термодинамики, тепло произвольно может перетекать от более горячего объекта к более холодному. В данном случае роль потока тепла играет передаваемый сигнал, несущий информацию, а приемник сигнала работает как холодильник. И если передатчик практически не потребляет энергию, то на стороне приемника она расходуется в достаточно значимых количествах, порядка двух Ватт.
Так что с точки зрения физики новая система совсем не является вечным двигателем. А с учетом того, что все затраты энергии происходят на стороне приемника какой-нибудь базовой станции, где обычно отсутствуют проблемы с энергией, то данная технология выгляди вполне себе жизнеспособно.
И если объединить способность такой низкоэнергетической передачи данных с методами получения энергии из окружающей среды, то откроются совершенно новые возможности для создания миниатюрных датчиков, бесконтактных кредитных карт, имплантируемых медицинских устройств и т.п., не нуждающихся в батареях или других источниках питания.
В своей дальнейшей работе исследователи планируют повысить скорость передачи данных, увеличить дальность работы системы и проверить все это на реальных устройствах, первыми из которых будут медицинские имплантаты. В качестве источника сигнала в таких устройствах будет использоваться уже не отдельный резистор, а тепловые шумы, возникающие прямо в живых тканях.
Нет бесплатного обеда
Мы инженеры-электрики, которые исследуют беспроводные системы. Во время рецензирования нашей статьи об этом исследовании, недавно опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, рецензенты попросили нас объяснить, почему метод не нарушает второй закон термодинамики, основной закон физики, объясняющий, почему вечные двигатели невозможны.
Вечные двигатели — это теоретические машины, которые могут работать бесконечно долго, не требуя энергии от какого-либо внешнего источника. Рецензенты беспокоились, что если бы можно было отправлять и получать информацию без компонентов с питанием и с передатчиком и приемником при одинаковой температуре, это означало бы, что вы могли бы создать вечный двигатель. Поскольку это невозможно, это означало бы, что что-то не так с нашей работой или нашим пониманием ее.
Один из способов сформулировать второй закон состоит в том, что тепло самопроизвольно перетекает только от более горячих объектов к более холодным объектам. Беспроводные сигналы от нашего передатчика переносят тепло. Если бы был спонтанный поток сигнала от передатчика к приемнику при отсутствии разницы температур между ними, вы могли бы собрать этот поток, чтобы получить бесплатную энергию, в нарушение второго закона.
Разрешение этого кажущегося парадокса состоит в том, что приемник в нашей системе работает как холодильник. Электроны, несущие сигнал на приемной стороне, эффективно охлаждаются мощным усилителем, подобно тому, как холодильник сохраняет холод внутри, непрерывно откачивая тепло. Передатчик почти не потребляет энергии, но приемник потребляет значительную мощность, до 2 Вт. Это похоже на приемники в других системах связи со сверхмалым энергопотреблением. Почти все потребление энергии происходит на базовой станции, которая не имеет ограничений на использование энергии.
Более простой подход
Многие исследователи во всем мире изучают родственные методы пассивной связи, известные как обратное рассеяние. Передатчик данных обратного рассеяния очень похож на наше устройство передатчика данных. Отличие состоит в том, что в системе связи с обратным рассеянием помимо передатчика данных и приемника данных имеется третий компонент, генерирующий радиоволну. Переключение, выполняемое передатчиком данных, приводит к отражению этой радиоволны, которая затем улавливается приемником.
Устройство обратного рассеяния имеет такую же энергоэффективность, как и наша система, но установка обратного рассеяния намного сложнее, поскольку необходим компонент, генерирующий сигнал. Однако наша система имеет более низкую скорость передачи данных и дальность действия, чем радиостанции с обратным рассеянием или обычные радиостанции.
Детальное описание в научной статье: Zerina Kapetanovic et al, Communication by means of modulated Johnson noise, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2201337119
294
