Cientistas transferem energia sem uso de cabos

Imagine entrar em um aeroporto ou supermercado e seu smartphone começar a carregar automaticamente. Essa possibilidade pode se tornar realidade graças a um novo sistema de carregamento a laser sem fio que supera alguns dos desafios que têm impedido tentativas anteriores de desenvolver sistemas de carregamento seguros e convenientes enquanto estamos em movimento.

Cientistas criaram um novo sistema que usa luz infravermelha para transferir com segurança altos níveis de energia por distâncias de até 30 metros. Este tipo de sistema óptico de transferência de energia sem fio de longo alcance poderia permitir a transmissão de energia em tempo real para receptores fixos e móveis.

“A capacidade de alimentar dispositivos sem fio pode eliminar a necessidade de carregar cabos de alimentação para nossos telefones ou tablets”, disse o líder da equipe de pesquisa Jinyong Ha, da Universidade Sejong, na Coreia do Sul. “Ele também pode alimentar vários sensores, como os de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) e sensores usados ​​para monitorar processos em fábricas”.

Na Optics Express, os pesquisadores descrevem esse novo sistema que usa luz infravermelha. Testes de laboratório mostraram que ele poderia transferir 400 mW de potência de luz em distâncias de até 30 metros. Essa energia é suficiente para carregar sensores e, com desenvolvimento adicional, pode ser aumentada para os níveis necessários para carregar dispositivos móveis.

Cientistas estudam várias técnicas para transferir energia sem fio de longo alcance. No entanto, tem sido difícil enviar energia de forma segura a distâncias acima de um metro. Para superar esse desafio, os pesquisadores aperfeiçoaram um método chamado carregamento a laser distribuído, que recentemente ganhou mais atenção para essa finalidade porque fornece iluminação segura de alta potência com menos perda de luz.

“Embora a maior parte das outras abordagens exija que o dispositivo receptor esteja em uma base de carregamento especial ou estacionário, o carregamento a laser distribuído permite o auto alinhamento sem processos de rastreamento. Para isso acontecer, o transmissor e o receptor devem estar na linha de visão um do outro”, disse Ha. “Ele também muda automaticamente para um modo seguro de entrega de baixa potência se um objeto ou uma pessoa bloquear a linha de visão”, o cientista completou.

Atingindo o propósito

O carregamento a laser distribuído funciona como um laser tradicional, mas em vez dos componentes ópticos da cavidade do laser serem integrados em um dispositivo, eles são divididos em transmissor e receptor. Quando ambos estiverem dentro de uma linha de visão, uma cavidade de laser se forma entre eles no ar (ou espaço livre) para permitir que o sistema forneça energia baseada em luz.

No novo sistema, os pesquisadores usaram uma fonte de energia óptica amplificadora de fibra dopada com érbio apresentando um comprimento de onda central de 1550 nm. Esta faixa de comprimento está na região mais segura do espectro e não representa perigo para os olhos ou pele humana com a energia usada.

Outro elemento importante foi um filtro multiplexador por divisão de comprimento de onda que criou um feixe de banda estreita com potência óptica dentro dos limites de segurança para propagação no espaço livre.

“Na unidade receptora, incorporamos um retrorrefletor de lente esférica para facilitar o alinhamento do transmissor-receptor de 360 ​​graus, o que maximizou a eficiência da transferência de energia”, disse Ha. “Observamos experimentalmente que o desempenho geral do sistema dependia do índice de refração da lente esférica, com um índice de refração de 2,003 sendo o mais eficaz.”

Teste de laboratório

Para demonstrar o sistema, os pesquisadores estabeleceram uma separação de 30 metros entre um transmissor e um receptor. O transmissor foi feito da fonte óptica do amplificador de fibra dopada com érbio, e a unidade receptora incluiu um retrorrefletor, uma célula fotovoltaica que converte o sinal óptico em energia elétrica e um LED que acende quando a energia está sendo fornecida. Este receptor, que tem cerca de 10 por 10 milímetros, pode ser facilmente integrado a dispositivos e sensores.

Os resultados experimentais mostraram que um sistema de transferência de potência óptica sem fio de canal único pode fornecer uma potência óptica de 400 mW com uma largura de linha de canal de 1 nm a uma distância de 30 metros. O fotovoltaico converteu isso em uma potência elétrica de 85 mW.

Os pesquisadores também mostraram que o sistema mudava automaticamente para um modo de transferência de energia seguro quando a linha de visão era interrompida por uma mão humana. Nesse modo, o transmissor produzia uma luz de intensidade incrivelmente baixa que não representava nenhum risco para as pessoas.

Agora que demonstraram o sistema, os pesquisadores estão trabalhando para torná-lo mais prático. Por exemplo, a eficiência da célula fotovoltaica pode ser aumentada para converter melhor a luz em energia elétrica. Eles também planejam desenvolver uma maneira de usar o sistema para carregar vários receptores simultaneamente.

Mais informações podem ser obtidas no artigo científico: Nadeem Javed et al. Long-range wireless optical power transfer system using an EDFA, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.468766

Fonte: Optica

Artigo original (em inglês) publicado pela Phys.Org.