Un émetteur sans fil intelligent "semble violer les lois de la physique" au début

Ryan Hoover/UW ECE

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Une nouvelle méthode de communication ultra-basse consommation, à première vue, semble 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.

Ce système, combiné à des techniques de récupération d'énergie de l'environnement, pourrait 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 incluent des capteurs pour une agriculture intelligente, des composants électroniques implantés dans le corps qui n'ont jamais besoin de changer de batterie, de meilleures cartes de crédit sans contact et peut-être même de nouvelles façons pour les satellites de communiquer.

En dehors de l'énergie nécessaire pour basculer 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 - à l'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 qui est 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.

Une équipe d'ingénieurs électriciens qui étudient les systèmes sans fil. Lors de l'examen par les pairs de notre article sur cette recherche, publié récemment dans Actes de l'Académie nationale des sciences, les examinateurs nous ont demandé d'expliquer pourquoi la méthode ne violait pas la deuxième loi de la thermodynamique, la principale loi de la physique qui explique pourquoi les 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.

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.

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 par le récepteur.

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.

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, ils pensent 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 d'un tissu biologique 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.

Auteurs : Joshua R. Smith, professeur de génie électrique et informatique et d'informatique et d'ingénierie, Université de Washington, Zerina Kapetanovic, professeure adjointe par intérim de génie électrique, Université de Stanford.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original ici.