賢い無線送信機は最初は「物理法則に違反しているように見える」

ライアン・フーバー/UW ECE

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新しい超低電力通信方法は、一見すると物理法則に違反しているように見えます。 アンテナと抵抗器を接続したスイッチを開閉するだけで、無線で情報を送信することができます。 アンテナに電力を送る必要はありません。

このシステムは、環境からエネルギーを収集する技術と組み合わせることで、電池や他の電源を必要とせずに、小型センサーや埋め込み型医療機器など、データを送信するあらゆる種類の機器につながる可能性があります。 これらには、スマート農業用のセンサー、バッテリー交換の必要がない体内に埋め込まれた電子機器、より優れた非接触型クレジット カード、さらには衛星の新しい通信方法も含まれます。

スイッチを入れるのに必要なエネルギーを除けば、情報を送信するために他のエネルギーは必要ありません。 私たちの場合、スイッチはトランジスタであり、微量の電力を消費する可動部品を持たない電気的に制御されるスイッチです。

通常のラジオの最も単純な形式では、スイッチは強力な電気信号源 (おそらく 1 秒間に 20 億回変動する正弦波を生成する発振器) を送信アンテナに接続および切断します。 信号源が接続されている場合、アンテナは電波を生成し、1 を示します。スイッチが切断されている場合、電波はなく、0 を示します。

電力供給された信号源が必要ないことが示されています。 その代わりに、熱による電子の運動によりすべての導電性材料に存在するランダムな熱ノイズが、アンテナを駆動する信号の代わりになる可能性があります。

無線システムを研究する電気技術者のチーム。 最近米国科学アカデミー紀要に掲載された、この研究に関する私たちの論文の査読中に、査読者は、なぜこの方法が熱力学の第二法則、つまり永久機関がなぜ永久機関なのかを説明する主要な物理法則に違反しないのか説明するよう求めました。は不可能です。

永久機関は、外部ソースからのエネルギーを必要とせずに無限に動作できる理論上の機械です。 査読者は、電力を供給するコンポーネントを使用せず、送信機と受信機の両方を同じ温度で情報の送受信が可能であれば、永久機関を作成できることになるのではないかと懸念しました。 これは不可能であるため、私たちの仕事またはそれに対する私たちの理解に何か問題があることを意味します。

第 2 法則が言える 1 つの方法は、熱はより熱い物体からより冷たい物体へのみ自然に流れるということです。 送信機からの無線信号は熱を運びます。 送信機と受信機の間に温度差がない場合に、送信機から受信機への信号の自発的な流れがあった場合、第 2 法則に違反して、その流れを収集して自由エネルギーを得ることができます。

この一見矛盾した問題は、システムの受信機に電力が供給され、冷蔵庫のように動作することで解決されます。 冷蔵庫が熱を継続的に排出して内部を冷たく保つのと同様に、受信側の信号を運ぶ電子は、パワーアンプによって効果的に冷たく保たれます。 送信機はほとんど電力を消費しませんが、受信機は最大 2 ワットの大量の電力を消費します。 これは、他の超低電力通信システムの受信機と同様です。 ほぼすべての電力消費は、エネルギー使用に制約がない基地局で発生します。

世界中の多くの研究者が、後方散乱として知られる関連する受動的な通信方法を研究してきました。 後方散乱データ トランスミッターは、データ トランスミッター デバイスと非常によく似ています。 違いは、後方散乱通信システムでは、データ送信機とデータ受信機に加えて、電波を生成する 3 番目のコンポーネントがあることです。 データ送信機によって実行されるスイッチングには、その電波が反射される効果があり、その電波が受信機によって受信されます。

後方散乱デバイスのエネルギー効率はシステムと同じですが、信号生成コンポーネントが必要となるため、後方散乱のセットアップははるかに複雑になります。 ただし、私たちのシステムのデータ レートと範囲は、後方散乱無線や従来の無線よりも低くなります。

今後の取り組みの 1 つの領域は、システムのデータ速度と範囲を改善し、埋め込み型デバイスなどのアプリケーションでテストすることです。 埋め込み型デバイスの場合、私たちの新しい方法の利点は、組織の加熱を引き起こす可能性のある強力な外部無線信号に患者をさらす必要がないことです。 さらに興味深いことに、関連するアイデアにより、生体組織や他の電子部品からの熱雑音など、他の自然信号源を変調できる他の新しい形式の通信が可能になる可能性があると研究者らは考えています。

最後に、この研究は熱の研究 (熱力学) とコミュニケーションの研究 (情報理論) の間に新たなつながりをもたらす可能性があります。 これらの分野は類似していると見なされることが多いですが、この研究はそれらの間のより文字通りのつながりを示唆しています。

著者: ジョシュア R. スミス、ワシントン大学電気工学およびコンピュータ工学教授およびコンピュータ科学工学教授、ゼリナ・カペタノビッチ、スタンフォード大学電気工学助教授代理。

この記事は、クリエイティブ コモンズ ライセンスの下で The Conversation から再公開されています。 元の記事はこちらからお読みください。