Un émetteur sans fil intelligent « semble violer les lois de la physique » au premier abord

Cette technologie qui ne consomme presque pas d’énergie pourrait-elle ouvrir une nouvelle ère de communication ?

L’auteure principale et ancienne élève de l’UW ECE, Zerina Kapetanovic, règle l’équipement de test sur le campus de l’UW. Ryan Hoover/UW ECE

Une nouvelle méthode de communication à ultra-basse puissance semble, à première vue, violer les lois de la physique. Il est possible de transmettre des informations sans fil simplement en ouvrant et en fermant un interrupteur qui relie une résistance à une antenne. Il n’est pas nécessaire d’envoyer de l’énergie à l’antenne.

Ce système, associé à des techniques de récolte d’énergie dans l’environnement, pourrait conduire à toutes sortes de dispositifs qui transmettent des données, y compris de minuscules capteurs et des dispositifs médicaux implantés, sans avoir besoin de piles ou d’autres sources d’énergie. Il s’agit notamment de capteurs pour l’agriculture intelligente, d’appareils électroniques implantés dans le corps qui n’ont jamais besoin d’être remplacés par des piles, de meilleures cartes de crédit sans contact, et peut-être même de nouveaux moyens de communication pour les satellites.

Hormis l’énergie nécessaire pour actionner l’interrupteur, aucune autre énergie n’est nécessaire pour transmettre l’information. Dans notre cas, l’interrupteur est un transistor, un interrupteur contrôlé électriquement sans pièces mobiles qui consomme une quantité minuscule d’énergie.

Dans la forme la plus simple de la radio ordinaire, un commutateur connecte et déconnecte une source de signaux électriques puissants – peut-être un oscillateur qui produit une onde sinusoïdale fluctuant 2 milliards de fois par seconde – à l’antenne d’émission. Lorsque la source de signal est connectée, l’antenne produit une onde radio, indiquant un 1. Lorsque l’interrupteur est déconnecté, il n’y a pas d’onde radio, indiquant un 0.

Ce qui est démontré, c’est qu’une source de signal alimentée n’est pas nécessaire. Au lieu de cela, le bruit thermique aléatoire, présent dans tous les matériaux conducteurs d’électricité en raison du mouvement des électrons dû à la chaleur, peut prendre la place du signal qui alimente l’antenne.

Pas de repas gratuit

Une équipe d’ingénieurs électriciens qui font des recherches sur les systèmes sans fil. Lors de l’examen par les pairs de notre article sur cette recherche, publié récemment dans Proceedings of the National Academy of Sciences, les examinateurs nous ont demandé d’expliquer pourquoi la méthode ne violait pas la deuxième loi de la thermodynamique, la principale loi de la physique qui explique pourquoi les machines à mouvement perpétuel ne sont pas possibles.

Les machines à mouvement perpétuel sont des machines théoriques qui peuvent fonctionner indéfiniment sans nécessiter d’énergie d’une source extérieure. Les examinateurs se sont inquiétés du fait que s’il était possible d’envoyer et de recevoir des informations sans composants alimentés et avec l’émetteur et le récepteur à la même température, cela signifierait que l’on pourrait créer une machine à mouvement perpétuel. Comme cela est impossible, cela impliquerait que quelque chose ne va pas dans notre travail ou dans notre compréhension de celui-ci.

L’une des façons d’énoncer la deuxième loi est que la chaleur ne circule spontanément que des objets les plus chauds vers les objets les plus froids. Les signaux sans fil de notre émetteur transportent de la chaleur. S’il y avait un flux spontané de signaux de l’émetteur au récepteur en l’absence d’une différence de température entre les deux, vous pourriez récolter ce flux pour obtenir de l’énergie gratuite, en violation de la deuxième loi.

La résolution de ce paradoxe apparent est que le récepteur de notre système est alimenté et agit comme un réfrigérateur. Les électrons porteurs de signaux du côté récepteur sont effectivement maintenus au froid par l’amplificateur alimenté, de la même manière qu’un réfrigérateur maintient son intérieur froid en pompant continuellement la chaleur. L’émetteur ne consomme presque pas d’énergie, mais le récepteur en consomme beaucoup, jusqu’à 2 watts. Cette situation est similaire à celle des récepteurs d’autres systèmes de communication à très faible puissance. La quasi-totalité de la consommation d’énergie se fait au niveau d’une station de base qui n’a pas de contraintes en matière de consommation d’énergie.

Une approche plus simple

De nombreux chercheurs du monde entier ont exploré des méthodes de communication passive apparentées, connues sous le nom de rétrodiffusion. Un émetteur de données à rétrodiffusion ressemble beaucoup à notre dispositif d’émission de données. La différence est que dans un système de communication par rétrodiffusion, outre l’émetteur et le récepteur de données, un troisième composant génère une onde radio. La commutation effectuée par l’émetteur de données a pour effet de réfléchir cette onde radio, qui est ensuite captée par le récepteur.

Un dispositif de rétrodiffusion a la même efficacité énergétique que notre système, mais la configuration de la rétrodiffusion est beaucoup plus complexe puisqu’un composant générateur de signal est nécessaire. Cependant, notre système a un débit de données et une portée inférieurs à ceux des radios à rétrodiffusion ou des radios conventionnelles.

Prochaines étapes

Les travaux à venir visent à améliorer le débit de données et la portée de notre système et à le tester dans des applications telles que les dispositifs implantés. Pour les dispositifs implantés, l’un des avantages de notre nouvelle méthode est qu’il n’est pas nécessaire d’exposer le patient à un signal radio externe puissant, qui peut provoquer un échauffement des tissus. Plus intéressant encore, les chercheurs pensent que des idées connexes pourraient permettre d’autres nouvelles formes de communication dans lesquelles d’autres sources de signaux naturels, comme le bruit thermique d’un tissu biologique ou d’autres composants électroniques, peuvent être modulées.

Enfin, ce travail peut conduire à de nouvelles connexions entre l’étude de la chaleur (thermodynamique) et l’étude de la communication (théorie de l’information). Ces domaines sont souvent considérés comme analogues, mais ce travail suggère des connexions plus littérales entre eux.

Auteurs : Joshua R. Smith, professeur de génie électrique et informatique et de science et génie informatiques, Université de Washington, Zerina Kapetanovic, professeur adjoint intérimaire de génie électrique, Université de Stanford.

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Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche