Σχετικά Άρθρα
Μέθοδος ανακύκλωσης φωτοβολταϊκών με λέιζερ επιτυγχάνει υψηλή ανάκτηση πυριτίου και αργύρου (pv-magazine)
Οι επιστήμονες παρουσίασαν έναν νέο τύπο ραδιοκεραίας που μοιάζει εντυπωσιακά με φωτόσπαθο. Σύμφωνα με δημοσίευμα του Science Daily, αντί να χρησιμοποιεί μια συμβατική μεταλλική κατασκευή, η συσκευή βασίζεται σε ένα λέιζερ για να δημιουργήσει μια στενή δέσμη πλάσματος, ικανή να μεταδίδει ραδιοκύματα.
Η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να καταστήσει δυνατή την κατασκευή κεραιών των οποίων το μήκος και η κατεύθυνση θα μπορούν να αλλάζουν κατά παραγγελία, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τις ασύρματες επικοινωνίες, τα ραντάρ, τους δορυφόρους και την εξερεύνηση του διαστήματος.
«Η κεραία δέσμης πλάσματος μοιάζει με φωτόσπαθο και είναι ρυθμιζόμενη, πράγμα που σημαίνει ότι θα πρέπει να μπορούμε να εκπέμπουμε σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων», δηλώνει η Prya Darshni, κύρια συγγραφέας του επιστημονικού άρθρου σχετικά με την εργασία και υποψήφια διδάκτορας στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας. «Και παρόλο που δεν έχουμε αποδείξει την ικανότητά της να λειτουργεί ως κεραία που λαμβάνει ραδιοσήματα, δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει και ως δέκτης».
«Πρόκειται για μια συναρπαστική νέα ιδέα που καθιστά δυνατή την κατασκευή μιας εξατομικευμένης κεραίας χωρίς περίπλοκους μηχανισμούς μηχανικής ανάπτυξης», δηλώνει ο Paul Franzon, συν-συγγραφέας της μελέτης και διακεκριμένος καθηγητής Ηλεκτρολογικής και Μηχανολογικής Μηχανικής Υπολογιστών Cirrus Logic στο NC State.
Oι επιστήμονες θέλουν κεραίες κατασκευασμένες από πλάσμα
Οι παραδοσιακές κεραίες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις φυσικές τους διαστάσεις. Ειδικότερα, το μήκος μιας κεραίας συμβάλλει στον καθορισμό των ραδιοσυχνοτήτων τις οποίες μπορεί να εκπέμπει ή να λαμβάνει αποτελεσματικά. Η αλλαγή αυτού του μήκους μπορεί να επιτρέψει σε μια κεραία να λειτουργεί σε διαφορετικές συχνότητες, αλλά η πραγματοποίηση τέτοιων προσαρμογών συχνά απαιτεί κινούμενα μηχανικά εξαρτήματα ή περίπλοκες τεχνικές λύσεις. Αυτό γίνεται ιδιαίτερα δύσκολο σε εφαρμογές όπως η εξερεύνηση του διαστήματος, όπου ο εξοπλισμός πρέπει να είναι συμπαγής, ελαφρύς και αξιόπιστος.
Οι ερευνητές του NC State ήθελαν να διερευνήσουν εάν ένα λέιζερ θα μπορούσε να προσφέρει μια απλούστερη λύση, δημιουργώντας μια κεραία απευθείας στον περιβάλλοντα αέρα. Αντί να επεκτείνουν ή να συμπτύσσουν φυσικά μια μεταλλική κεραία, η ιδέα ήταν να ρυθμίζουν το λέιζερ ώστε να παράγει μια δέσμη πλάσματος με το επιθυμητό μήκος.
«Ένα από τα ερωτήματα που θέλαμε να διερευνήσουμε με αυτή την εργασία ήταν εάν θα ήταν δυνατό να δημιουργήσουμε κεραίες πλάσματος χρησιμοποιώντας λέιζερ, κάτι που θα μας επέτρεπε να παράγουμε κεραίες σε οποιοδήποτε μήκος χρειαζόταν», δηλώνει η Darshni. «Και πλέον έχουμε δείξει ότι αυτό είναι εφικτό».
Μετατρέποντας μια δέσμη λέιζερ σε ραδιοκεραία
Η προσέγγιση ξεκινά με ένα λέιζερ που κατευθύνεται μέσα από τον αέρα. Ελέγχοντας προσεκτικά την ισχύ του λέιζερ και τη διάμετρο της δέσμης, οι ερευνητές μπορούν να ιονίσουν μια στενή περιοχή του αέρα, απομακρύνοντας ηλεκτρόνια από άτομα και μόρια, ώστε να παραγάγουν πλάσμα. Το πλάσμα περιγράφεται συχνά ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης, μαζί με τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Επειδή περιέχει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, μπορεί να αλληλεπιδρά με ηλεκτρομαγνητικά πεδία με τρόπους που δεν είναι δυνατοί για τον συνηθισμένο αέρα.
Σε αυτό το πείραμα, το λέιζερ παράγει ένα λεπτό, συγκεντρωμένο κανάλι πλάσματος, γνωστό ως νημάτιο πλάσματος. Αυτό το νημάτιο αποτελεί τη βάση της κεραίας. Ωστόσο, η δημιουργία μιας δέσμης πλάσματος ήταν μόνο ένα μέρος της πρόκλησης. Για να μπορέσει να μεταδίδει ραδιοκύματα, η ομάδα χρειαζόταν επίσης έναν τρόπο να μεταφέρει ηλεκτρικό σήμα στο πλάσμα χωρίς να βασίζεται σε μια συμβατική φυσική σύνδεση.
Η λύση τους ήταν ένας ειδικά σχεδιασμένος μηχανισμός τροφοδοσίας της κεραίας χωρίς επαφή. Το σύστημα χρησιμοποιεί έναν μεταλλικό δακτύλιο που λειτουργεί ως πυκνωτής, δηλαδή ένα εξάρτημα που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το λέιζερ διέρχεται από το κέντρο του δακτυλίου, παράγοντας ένα νημάτιο πλάσματος που εκτείνεται μέσα από το περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του πυκνωτή.
Αυτή η διάταξη επιτρέπει στους ερευνητές να μεταφέρουν ενέργεια στο πλάσμα χωρίς να έρχονται σε φυσική επαφή μαζί του. Όταν μια γεννήτρια ραδιοσυχνοτήτων στέλνει ένα σήμα στον πυκνωτή, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που προκύπτει αλληλεπιδρά με το νημάτιο πλάσματος. Αυτή η αλληλεπίδραση προκαλεί την εκπομπή ραδιοκυμάτων από το νημάτιο στη συχνότητα που παρέχεται.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές κατάφεραν να επιδείξουν επιτυχώς μετάδοση ραδιοκυμάτων στα 30 μεγαχέρτζ (MHz), εντός της ζώνης ραδιοσυχνοτήτων πολύ υψηλής συχνότητας (VHF).
Μια κεραία που θα μπορούσε να αλλάζει μήκος και κατεύθυνση
Ένα από τα πιο ελπιδοφόρα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας είναι η πιθανή ευελιξία της. Επειδή η κεραία δημιουργείται από ένα λέιζερ αντί να κατασκευάζεται από μια σταθερή μεταλλική δομή, οι διαστάσεις της μπορούν να προσαρμόζονται με την αλλαγή των ρυθμίσεων του λέιζερ.
«Ελέγχοντας τις παραμέτρους του λέιζερ, μπορείτε να ελέγχετε τα χαρακτηριστικά του νηματίου πλάσματος, συμπεριλαμβανομένου του μήκους του», δηλώνει η Darshni. «Αυτό είναι πολύτιμο για εφαρμογές στις οποίες χρειάζεστε μια κεραία που μπορεί να σαρώνει όλες τις συχνότητες. Υπάρχει, όμως, και ένα ακόμη πλεονέκτημα».
Υπάρχουν επίσης εφαρμογές στις οποίες είναι σημαντικό να μπορείτε να ελέγχετε τη γωνία της κεραίας, προκειμένου να κατευθύνετε τις σαρώσεις των ραντάρ ή να βελτιώνετε την ισχύ ενός σήματος που θέλετε να λαμβάνετε», δηλώνει η Darshni. «Η τεχνική που παρουσιάσαμε εδώ θα επέτρεπε στους χρήστες να ελέγχουν τη γωνία της κεραίας νηματίου πλάσματος μέσω της κατεύθυνσης της δέσμης, απλώς μετατοπίζοντας την κατεύθυνση του λέιζερ».
Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να είναι πολύτιμη σε συστήματα που πρέπει να επικοινωνούν σε διαφορετικές ραδιοσυχνότητες ή να κατευθύνουν σήματα προς συγκεκριμένες τοποθεσίες. Οι συμβατικές κεραίες ενδέχεται να απαιτούν μηχανικές διατάξεις για την αλλαγή του προσανατολισμού τους. Μια κεραία πλάσματος που δημιουργείται από λέιζερ θα μπορούσε ενδεχομένως να πραγματοποιεί παρόμοιες προσαρμογές κατευθύνοντας την ίδια τη δέσμη λέιζερ, μειώνοντας την ανάγκη για κινούμενα εξαρτήματα.
Παρόλο που οι ερευνητές απέδειξαν ότι το νημάτιο πλάσματος μπορεί να μεταδίδει ραδιοκύματα, η ικανότητά του να λαμβάνει σήματα και να λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων εξακολουθεί να χρειάζεται δοκιμές.
Πιθανές εφαρμογές σε δορυφόρους και στην εξερεύνηση του διαστήματος
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να εξυπηρετήσει διάφορους σκοπούς, με τους δορυφόρους και την εξερεύνηση του διαστήματος να συγκαταλέγονται στις πιο ελπιδοφόρες δυνατότητες.
Οι σχεδιαστές διαστημικών σκαφών αντιμετωπίζουν αυστηρούς περιορισμούς όσον αφορά το βάρος και το μέγεθος του εξοπλισμού που μπορούν να θέσουν σε τροχιά. Τα παραδοσιακά συστήματα κεραιών μπορεί επίσης να απαιτούν περίπλοκους μηχανισμούς ανάπτυξης, ιδιαίτερα όταν μεγάλες κατασκευές πρέπει να διπλώνονται κατά την εκτόξευση και να επεκτείνονται μετά την άφιξή τους στο διάστημα.
Μια κεραία που δημιουργείται από λέιζερ θα μπορούσε να προσφέρει μια διαφορετική προσέγγιση, επιτρέποντας ενδεχομένως στα διαστημικά σκάφη να δημιουργούν και να προσαρμόζουν κεραίες χωρίς να μεταφέρουν τους ίδιους τύπους μηχανικών κατασκευών.
Η δυνατότητα λειτουργίας σε διαφορετικές ραδιοσυχνότητες θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμη στις επικοινωνίες διαστημικών σκαφών και στα επιστημονικά όργανα. «Σε χαμηλή γήινη τροχιά, υπάρχει αρκετός αέρας για να σχηματιστεί πλάσμα», δηλώνει ο Franzon.
Παρόλο που αυτό υποδηλώνει μια πιθανή εφαρμογή στην αραιή ατμόσφαιρα που περιβάλλει τη Γη, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο πειραματικό στάδιο. Θα χρειαστεί πρόσθετη έρευνα για να προσδιοριστεί πόσο αποτελεσματικά θα μπορούσαν να λειτουργούν οι κεραίες πλάσματος που δημιουργούνται από λέιζερ υπό πραγματικές διαστημικές συνθήκες.
Η πρώτη επιτυχημένη επίδειξη ανοίγει τον δρόμο για περαιτέρω έρευνα
Προς το παρόν, οι ερευνητές θεωρούν το επίτευγμά τους μια σημαντική απόδειξη της τεχνικής σκοπιμότητας της ιδέας. Έχουν δείξει ότι ένα λέιζερ μπορεί να δημιουργήσει ένα νημάτιο πλάσματος που λειτουργεί ως κεραία εκπομπής, θέτοντας τις βάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις.
«Αυτό είναι το πρώτο βήμα, αλλά είναι ένα μεγάλο βήμα - είναι η πρώτη φορά που κάποιος αποδεικνύει ότι οι κεραίες νηματίου πλάσματος μπορούν να λειτουργήσουν», δηλώνει η Darshni. «Τώρα που δείξαμε ότι είναι εφικτό, μπορούμε να αρχίσουμε να βελτιώνουμε την απόδοσή τους».
Τα ευρήματα περιγράφονται στην επιστημονική δημοσίευση ανοικτής πρόσβασης με τίτλο «Κεραία νηματίου πλάσματος που προκαλείται από λέιζερ και εκπέμπει στα 30 MHz VHF» (Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF), η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό IEEE Journal of Microwaves.
Ο Arthur Dogariu, ο οποίος συνδέεται με το Πανεπιστήμιο Texas A&M και το Πανεπιστήμιο του Princeton, συνυπέγραψε την έρευνα και συνέβαλε στις πειραματικές μετρήσεις.
Η ερευνητική ομάδα αναγνώρισε επίσης τη συμβολή των Chris Hewett, Byron Goode και Joe McElveen, από το εργαστήριο οργάνων του NC State, για την ευρηματικότητά τους στην κατασκευή των εξαρτημάτων που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα.
www.worldenergynews.gr
