Kas tõesti füüsikaseadusi eirates? Teadlased tegid raadiosaatja, millel pole elektritoidet vaja

Zerina Kapetanovic kohendab Washingtoni ülikooli linnakus katseseadmeid, mis ei sõltu ümbritsevatest raadiosignaalidest. Selle asemel kasutab seade traadita signaali edastamiseks oma vooluringis elektritakistuse kõrvalprodukti, mida nimetatakse «Johnsoni müraks». Foto: Ryan Hoover / Washingtoni Ülikool

Mis oleks, kui andmete saatmiseks pole vaja muud, kui lülitit ja antenni? See ammu unustatud vana ehk möödunud sajandi keskel raadioamatööride ajakirjades tutvustatud moodus kaevati uuesti välja ja sai moodsa täienduse Kanada Washingtoni ülikoolis, kus teadlased tegid lihtsa ja pealtäha energiat mittevajava raadiosaatja.

20. sajandi esimestel kümnenditel tulid välja raadiovastuvõtjad, millel polnud toidet vaja ning mis suutsid raadiolained võimendita kuuldavaks teha. Washingtoni ülikoolis prooviti samamoodi energiavabalt infot edastada - selleks pole vaja muud, kui pooljuhtlülitit (transistori) ning antenni, millega ühendatud transistori lülitades saigi signaali eetrisse saata. Kust tuleb siis energia? Tegelikult on seletus sellisele toiteta raadiosaatjale üsna lihtne.

Kuigi pealtnäha tundub, et raadiosaatja tööks vajalik energia tuleb justkui eikuskilt, pole siiski tegemist igiliikuri ega füüsikaseaduste eiramisega. Lüliti lülitamiseks ilmselt on vaja mingit väga väikest jõudu, kuid edasine on juba seletatav nii-öelda õhust elektri ammutamisega. Kui lülitiks on mehaaniliste liikuvate osadeta transistor, siis kulub lülitamise ehk info tekitamise jaoks ülivähe energiat.

Washingtoni ülikooli teadlased ehitasid selleks üsna loomingulise passiivse traadita side seadme, mille puhul aparaat edastab infot, peegeldades juba olemasolevat müra. Seadmed, mis kasutavad passiivseid traadita side meetodeid ehk ümbritseva keskkonna raadiolainete tagasipeegeldamist, on võimalik ehitada täiesti akuvabaks. Vajalik energiahulk kogutakse märkamatult sellistest allikatest nagu päike, televisioonisignaalid või temperatuurierinevused.

Toide on alati saadaval

Esimene «energiavaba» traadita side süsteem tarbibki oma energiaallikana temperatuurist tekkivat müra.

«Madala võimsusega passiivsete raadiosaatjate suur praktiline piirang on see, et need sõltuvad raadiosageduse allikatest. Neid saab ehitada täiesti akuvabaks, kuid mõnikord võib kasutamine olla keeruline, kuna läheduses on vaja raadiosageduse allikat või teisi ümbritsevaid raadiosignaale,» ütles töö juhtiv autor Zerina Kapetanovic nende lahenduse erilisust kirjeldades. «See piirab rakendamise kohta, kuid samas saab meie väljatöötatud teistsugust süsteemi kasutada igal pool, kuna see ei sõltu läheduses asuvatest tele- ja raadiomastidest.»

«Näiteks kui ma tahan oma telefoniga andmeid saata, võtab see akust energiat ja saadab ostsillaatorisse. See ostsillaator ühendub omakorda võimendiga ja seejärel telefoni antenniga, kust väljub raadiolaine. Nii et kasutamiseks on vaja palju energiat,» selgitas teadustöö üks autoritest Joshua Smith. «Meie aga ei pidanud raadiolaine tekitamiseks tegema midagi, mida tavaliselt tehakse. Selle asemel juhime me saatja sees tekkivat teatud soojusmüra. Kui see müra on suunatud saateantenni, registreerib vastuvõtja suurema väljundsignaali, kui aga antenn on lahti ühendatud, kuuleb vastuvõtja nõrgemat signaali.»

See aga tähendab juba, et digiülekandes on võimalik juhtmevabalt edastada ühtesid ja nulle. Neid kiirelt lülitades ongi vajalik andmesideühendus loodud.

Signaal, mida saab sisse-välja lülitades saata, on nn Johnson -Nyquisti müra, mis tekib elektronidest ükskõik millises elektrijuhis, mille temperatuur on absoluutsest nullist kõrgem. Seega meie igapäevastel temperatuuridel saab taolise müra alati kätte.

Kui saatja toidet ei vaja, siis vastuvõtuks läheb siiski tarvis ligi 2 W võimsust, selgitavad teadlased, seega igiliikurit pole ehitatud ning kõik vastab füüsikaseadustele. Lähemalt selgitatakse «külmade» ja «soojade» elektronide teooriat lahti selles artiklis, kus võrreldakse lahendust külmkapiga: kui ühel pool elektronid n-ö «soojenevad», siis teisel pool vastavalt «jahtuvad».

Üliaeglane, aga siiski kasulik

Kui muidu on täpsetes mõõteriistades termomüra ebameeldiv, kuna rikub täpseid mõõtmisandmeid, siis seekord rakendati nähtus toiteta raadiosaatja teenistusse. Teadlased avastasid, et kui ühendada antenniga koormus, siis see traadita side meetod võib toatemperatuuril edastada andmeid kiirusega kuni 26 bitti sekundis kuni 7,3 meetri taha.

See on küll üsna väike andmekogus ja -kiirus suhteliselt lühikese vahemaaga, kuid teatud olukordades on abiks seegi - näiteks juhtmevabade nutikate süsteemide ja targa kodu andurite jaoks. Sel puhul polegi suurt kiirust ja pikki vahemaid vaja. Mõnikord näiteks peavad andurid infot edastama betooni või asfaldi seest, seal pole neil võimalik toiteks vajalikke patareisid vahetada. Taoline toitevaba saatja aga lahendaks olukorra.

Selline näeb välja traadita side seade, mille raadiosaatja toidet ei vaja. Energia ammutatakse ümbritsevast soojusmürast. Foto: (CC) Zerina Kapetanovic

Kapetanovic ja Smith rõhutasid siiski, et see on traadita side taolise vormi alles esimene lihtne rakendus. Tehnoloogia täiustamiseks on palju võimalusi, mis suurendaks nii andmeedastuskiirust kui -kaugust.

Võimalike rakendustena näevad teadlased näiteks inimese kehas asuvaid meditsiiniseadmeid, millest on vaja väljaspool keha andmed kätte saada. Panganduses saaks niimoodi paremini lahendada kontaktivabasid makseid või kasutada ID-kaarte, mille puhul ongi vaja saata üsna vähe andmeid üsna lühikese maa taha. Teadlased on soovitanud lahendust kasutada ka põllumajanduse asjade internetis ning satelliitsides.