All'inizio il trasmettitore wireless intelligente "sembra violare le leggi della fisica".

Ryan Hoover/UW ECE

Iscrivendoti, accetti i nostri Termini di utilizzo e le nostre Politiche. Puoi annullare l'iscrizione in qualsiasi momento.

Un nuovo metodo di comunicazione a bassissima potenza, a prima vista, sembra violare le leggi della fisica. È possibile trasmettere informazioni in modalità wireless semplicemente aprendo e chiudendo un interruttore che collega un resistore a un'antenna. Non è necessario inviare alimentazione all'antenna.

Questo sistema, combinato con tecniche per la raccolta di energia dall’ambiente, potrebbe portare a tutti i tipi di dispositivi che trasmettono dati, inclusi minuscoli sensori e dispositivi medici impiantati, senza bisogno di batterie o altre fonti di energia. Questi includono sensori per l’agricoltura intelligente, dispositivi elettronici impiantati nel corpo che non necessitano mai di cambiare la batteria, migliori carte di credito contactless e forse anche nuovi modi per comunicare con i satelliti.

A parte l’energia necessaria per azionare l’interruttore, non è necessaria altra energia per trasmettere l’informazione. Nel nostro caso, l'interruttore è un transistor, un interruttore controllato elettricamente senza parti mobili che consuma una minuscola quantità di energia.

Nella forma più semplice della radio ordinaria, un interruttore collega e disconnette una forte sorgente di segnale elettrico – forse un oscillatore che produce un’onda sinusoidale che fluttua 2 miliardi di volte al secondo – all’antenna di trasmissione. Quando la sorgente del segnale è collegata, l'antenna produce un'onda radio, che indica un 1. Quando l'interruttore è scollegato, non c'è alcuna onda radio, che indica uno 0.

Ciò che viene mostrato è che non è necessaria una sorgente di segnale alimentata. Invece, il rumore termico casuale, presente in tutti i materiali elettricamente conduttivi a causa del movimento degli elettroni guidato dal calore, può prendere il posto del segnale che guida l'antenna.

Un team di ingegneri elettrici che ricercano sistemi wireless. Durante la peer review del nostro articolo su questa ricerca, pubblicato di recente in Proceedings of the National Academy of Sciences, i revisori ci hanno chiesto di spiegare perché il metodo non violava la seconda legge della termodinamica, la principale legge della fisica che spiega perché le macchine a moto perpetuo non sono possibili.

Le macchine a moto perpetuo sono macchine teoriche che possono funzionare indefinitamente senza richiedere energia da alcuna fonte esterna. I revisori temevano che se fosse stato possibile inviare e ricevere informazioni senza componenti alimentati e con sia il trasmettitore che il ricevitore alla stessa temperatura, ciò avrebbe significato poter creare una macchina a movimento perpetuo. Poiché ciò è impossibile, implicherebbe che ci sia qualcosa di sbagliato nel nostro lavoro o nella nostra comprensione dello stesso.

Un modo in cui si può enunciare la seconda legge è che il calore fluirà spontaneamente solo dagli oggetti più caldi a quelli più freddi. I segnali wireless del nostro trasmettitore trasportano calore. Se ci fosse un flusso spontaneo di segnale dal trasmettitore al ricevitore in assenza di una differenza di temperatura tra i due, si potrebbe sfruttare quel flusso per ottenere energia gratuita, in violazione della seconda legge.

La soluzione di questo apparente paradosso è che il ricevitore del nostro sistema è alimentato e si comporta come un frigorifero. Gli elettroni che trasportano il segnale sul lato di ricezione vengono effettivamente mantenuti freddi dall'amplificatore alimentato, in modo simile a come un frigorifero mantiene freddo il suo interno pompando continuamente fuori il calore. Il trasmettitore non consuma quasi energia, ma il ricevitore consuma una potenza notevole, fino a 2 watt. Questo è simile ai ricevitori di altri sistemi di comunicazione a bassissima potenza. Quasi tutto il consumo energetico avviene presso una stazione base che non ha vincoli sull’uso energetico.

Molti ricercatori in tutto il mondo hanno esplorato metodi di comunicazione passiva correlati noti come backscatter. Un trasmettitore di dati a retrodiffusione sembra molto simile al nostro dispositivo di trasmissione di dati. La differenza è che in un sistema di comunicazione backscatter, oltre al trasmettitore e al ricevitore dati, c'è un terzo componente che genera un'onda radio. La commutazione effettuata dal trasmettitore di dati ha l'effetto di riflettere l'onda radio, che viene poi captata dal ricevitore.