Experimenty s novým typem přenosu rádiového signálu. Kredit: Zerina Kapetanovic.

Zní to šarlatánsky. Až tak, že recenzenti věhlasného amerického vědeckého plátku Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) požádali autory studie, aby vysvětlili, proč jejich nová metoda neporušuje druhý termodynamický zákon, podle něhož teplo nemůže samovolně přecházet z chladnějšího tělesa na těleso teplejší.

Zerina Kapetanovic. Kredit: Stanford University.

Zerina Kapetanovicová z americké University of Washington v Seattlu a její kolegové to podle všeho vysvětlili a PNAS jejich výzkum zveřejnili. Jde o pozoruhodnou metodu bezdrátového přenosu rádiových vln, která při vysílání nespotřebuje téměř žádnou energii – aniž by urazila celou fyziku porušením druhého termodynamického zákona.

Tým Kapetanovicové vytvořil zařízení, které vysílá rádiové vlny pouhým přepínáním spínače mezi rezistorem a anténou. Anténa v tomto zařízení přitom nepotřebuje žádnou energii. Energie je nutná jen k přepínání spínače. Jde ale o elektricky ovládaný tranzistor, který nemá žádné pohyblivé části a spotřebuje naprosto mizivé množství energie.

Vysílač nového zařízení. Kredit: Zerina Kapetanovic.

Jak říká Kapetanovicová, nový systém, pokud jde o stranu vysílače, kombinuje vysílání rádiových vln s těžbou energie z okolního prostředí. Jejich výzkum by mohl vést k novým typům senzorů či implantátů, u nichž nebude nutné měnit baterie, či lepším kreditním kartám nebo i satelitní komunikaci.

Nejjednodušší konstrukce běžného rádia je založená na tom, že spínač připojuje a odpojuje zdroj silného elektrického signálu – dejme tomu oscilátoru, který generuje sinusoidní vlnu, kolísající asi tak 2 miliardkrát za sekundu – k vysílací anténě. Když je zdroj signálu připojen k anténě, anténa vytvoří rádiovou vlnu, což znamená „1“. Když zdroj není připojen, anténa neudělá rádiovou vlnu, což odpovídá „0.“

Kapetanovicová a spol. prokázali, že zdroj signálu napájený energií není pro rádiové vysílání nezbytně nutný. Namísto toho ve svém zařízení využili náhodný termální elektronický šum (Johnson–Nyquist noise), který se objevuje ve všech elektricky vodivých materiálech kvůli tepelnému pohybu elektronů. Ten může nahradit zdroj signálu pro rádiovou anténu.

Bezdrátové vysílání nového zařízení přenáší teplo. Pokud by ovšem existoval spontánní přenos signálu mezi vysílačem a přijímačem, aniž by byl mezi nimi rozdíl v teplotě, bylo by možné z tohoto přenosu těžit energii. To je samozřejmě smrtelný hřích proti druhému termodynamickému zákonu.

Badatelé unikli katovi z oprátky tím, že jejich přijímač vlastně funguje jako lednička. Elektrony přenášející signál v přijímači jsou udržovány v „chladu“ zesilovačem, podobně jako chladnička udržuje vnitřek chladný neustálým odčerpáváním tepla. Zatímco vysílač, jak bylo řečeno, nepotřebuje téměř nic, přijímač má relativně velkou spotřebu energie, až 2 watty. To zhruba odpovídá dalším podobným systémům s extrémně nízkou spotřebou energie při komunikaci. Téměř veškerá spotřeba energie se tedy odehrává na straně přijímače, kde ale obvykle není problém připojit nějaký zdroj.

Literatura

The Conversation 24. 1. 2023.

PNAS 119: e2201337119.