El transmisor inalámbrico inteligente 'parece violar las leyes de la física' al principio

Ryan Hoover/Universidad de Washington ECE

Al suscribirse, acepta nuestros Términos de uso y Políticas. Puede darse de baja en cualquier momento.

Un nuevo método de comunicación de potencia ultrabaja, a primera vista, parece violar las leyes de la física. Es posible transmitir información de forma inalámbrica simplemente abriendo y cerrando un interruptor que conecta una resistencia a una antena. No es necesario enviar energía a la antena.

Este sistema, combinado con técnicas para recolectar energía del medio ambiente, podría conducir a todo tipo de dispositivos que transmiten datos, incluidos sensores diminutos y dispositivos médicos implantados, sin necesidad de baterías u otras fuentes de energía. Estos incluyen sensores para la agricultura inteligente, dispositivos electrónicos implantados en el cuerpo que nunca necesitan cambios de batería, mejores tarjetas de crédito sin contacto y tal vez incluso nuevas formas para que los satélites se comuniquen.

Aparte de la energía necesaria para accionar el interruptor, no se necesita ninguna otra energía para transmitir la información. En nuestro caso, el interruptor es un transistor, un interruptor controlado eléctricamente sin partes móviles que consume una cantidad minúscula de energía.

En la forma más simple de una radio común, un interruptor conecta y desconecta una fuente de señal eléctrica fuerte, tal vez un oscilador que produce una onda sinusoidal que fluctúa 2 mil millones de veces por segundo, a la antena transmisora. Cuando la fuente de la señal está conectada, la antena produce una onda de radio, lo que indica un 1. Cuando el interruptor está desconectado, no hay onda de radio, lo que indica un 0.

Lo que se muestra es que no se necesita una fuente de señal alimentada. En cambio, el ruido térmico aleatorio, presente en todos los materiales eléctricamente conductores debido al movimiento de los electrones impulsado por el calor, puede ocupar el lugar de la señal que impulsa la antena.

Un equipo de ingenieros eléctricos que investigan sistemas inalámbricos. Durante la revisión por pares de nuestro artículo sobre esta investigación, publicado recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences, los revisores nos pidieron que explicáramos por qué el método no violaba la segunda ley de la termodinámica, la ley principal de la física que explica por qué las máquinas de movimiento perpetuo no son posibles

Las máquinas de movimiento perpetuo son máquinas teóricas que pueden trabajar indefinidamente sin requerir energía de ninguna fuente externa. A los revisores les preocupaba que si fuera posible enviar y recibir información sin componentes alimentados y con el transmisor y el receptor a la misma temperatura, eso significaría que se podría crear una máquina de movimiento perpetuo. Debido a que esto es imposible, implicaría que hubo algo mal con nuestro trabajo o con nuestra comprensión del mismo.

Una forma en que se puede establecer la segunda ley es que el calor fluirá espontáneamente solo de los objetos más calientes a los objetos más fríos. Las señales inalámbricas de nuestro transmisor transportan calor. Si hubiera un flujo espontáneo de señal desde el transmisor al receptor en ausencia de una diferencia de temperatura entre los dos, podría recolectar ese flujo para obtener energía gratuita, en violación de la segunda ley.

La resolución de esta aparente paradoja es que el receptor de nuestro sistema está alimentado y actúa como un refrigerador. Los electrones que transportan la señal en el lado receptor se mantienen fríos de manera efectiva gracias al amplificador de potencia, de manera similar a cómo un refrigerador mantiene su interior frío bombeando calor continuamente. El transmisor casi no consume energía, pero el receptor consume una cantidad considerable de energía, hasta 2 vatios. Esto es similar a los receptores en otros sistemas de comunicaciones de potencia ultrabaja. Casi todo el consumo de energía ocurre en una estación base que no tiene restricciones en el uso de energía.

Muchos investigadores de todo el mundo han estado explorando métodos de comunicación pasiva relacionados conocidos como retrodispersión. Un transmisor de datos de retrodispersión se parece mucho a nuestro dispositivo transmisor de datos. La diferencia es que en un sistema de comunicación de retrodispersión, además del transmisor de datos y el receptor de datos, hay un tercer componente que genera una onda de radio. La conmutación realizada por el transmisor de datos tiene el efecto de reflejar esa onda de radio, que luego es captada por el receptor.

Un dispositivo de retrodispersión tiene la misma eficiencia energética que nuestro sistema, pero la configuración de la retrodispersión es mucho más compleja ya que se necesita un componente generador de señal. Sin embargo, nuestro sistema tiene una tasa de datos y un alcance más bajos que las radios de retrodispersión o las radios convencionales.

Un área para el trabajo futuro es mejorar la velocidad y el rango de datos de nuestro sistema y probarlo en aplicaciones tales como dispositivos implantados. Para los dispositivos implantados, una ventaja de nuestro nuevo método es que no es necesario exponer al paciente a una fuerte señal de radio externa, que puede provocar el calentamiento del tejido. Aún más emocionante, creen que las ideas relacionadas podrían habilitar otras nuevas formas de comunicación en las que se pueden modular otras fuentes de señales naturales, como el ruido térmico de un tejido biológico u otros componentes electrónicos.

Finalmente, este trabajo puede conducir a nuevas conexiones entre el estudio del calor (termodinámica) y el estudio de la comunicación (teoría de la información). Estos campos a menudo se consideran análogos, pero este trabajo sugiere algunas conexiones más literales entre ellos.

Autores: Joshua R. Smith, Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática y de Ciencias e Ingeniería Informática, Universidad de Washington, Zerina Kapetanovic, Profesora Asistente Interina de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Stanford.

Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lee el artículo original aquí.