Cleverer Funksender „scheint zunächst gegen die Gesetze der Physik zu verstoßen“.

Ryan Hoover/UW ECE

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Eine neue Kommunikationsmethode mit extrem geringem Stromverbrauch scheint auf den ersten Blick gegen die Gesetze der Physik zu verstoßen. Es ist möglich, Informationen drahtlos zu übertragen, indem einfach ein Schalter geöffnet und geschlossen wird, der einen Widerstand mit einer Antenne verbindet. Die Antenne muss nicht mit Strom versorgt werden.

Dieses System könnte in Kombination mit Techniken zur Energiegewinnung aus der Umwelt zu Geräten aller Art führen, die Daten übertragen, einschließlich winziger Sensoren und implantierter medizinischer Geräte, ohne dass Batterien oder andere Stromquellen erforderlich sind. Dazu gehören Sensoren für eine intelligente Landwirtschaft, in den Körper implantierte Elektronik, die keinen Batteriewechsel erfordert, bessere kontaktlose Kreditkarten und vielleicht sogar neue Kommunikationsmöglichkeiten für Satelliten.

Außer der Energie, die zum Umlegen des Schalters benötigt wird, wird keine weitere Energie zur Übertragung der Informationen benötigt. In unserem Fall ist der Schalter ein Transistor, ein elektrisch gesteuerter Schalter ohne bewegliche Teile, die eine winzige Menge Strom verbrauchen.

In der einfachsten Form des gewöhnlichen Radios verbindet und trennt ein Schalter eine starke elektrische Signalquelle – vielleicht einen Oszillator, der eine Sinuswelle erzeugt, die zwei Milliarden Mal pro Sekunde schwankt – mit der Sendeantenne. Wenn die Signalquelle angeschlossen ist, erzeugt die Antenne eine Funkwelle, was eine 1 anzeigt. Wenn der Schalter nicht angeschlossen ist, gibt es keine Funkwelle, was eine 0 anzeigt.

Es wird gezeigt, dass keine Stromversorgungssignalquelle erforderlich ist. Stattdessen kann zufälliges thermisches Rauschen, das aufgrund der wärmegetriebenen Bewegung von Elektronen in allen elektrisch leitenden Materialien vorhanden ist, das Signal ersetzen, das die Antenne antreibt.

Ein Team von Elektroingenieuren, die drahtlose Systeme erforschen. Während des Peer-Reviews unseres Artikels über diese Forschung, der kürzlich in Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, baten uns Gutachter um eine Erklärung, warum die Methode nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt, das Hauptgesetz der Physik, das erklärt, warum Perpetuum mobile sind nicht möglich.

Perpetuum Mobile-Maschinen sind theoretische Maschinen, die unbegrenzt arbeiten können, ohne Energie von einer externen Quelle zu benötigen. Die Gutachter befürchteten, dass man ein Perpetuum Mobile erschaffen könnte, wenn es möglich wäre, Informationen ohne strombetriebene Komponenten zu senden und zu empfangen und wobei sowohl Sender als auch Empfänger die gleiche Temperatur haben. Da dies unmöglich ist, würde es bedeuten, dass etwas mit unserer Arbeit oder unserem Verständnis davon nicht stimmt.

Eine Möglichkeit, das zweite Gesetz auszudrücken, besteht darin, dass Wärme spontan nur von heißeren Objekten zu kälteren Objekten fließt. Die Funksignale unseres Senders transportieren Wärme. Wenn es einen spontanen Signalfluss vom Sender zum Empfänger gäbe, ohne dass zwischen beiden ein Temperaturunterschied besteht, könnte man diesen Fluss nutzen, um freie Energie zu erhalten, was gegen den zweiten Hauptsatz verstößt.

Die Lösung dieses scheinbaren Paradoxons besteht darin, dass der Empfänger in unserem System mit Strom versorgt wird und wie ein Kühlschrank funktioniert. Die signaltragenden Elektronen auf der Empfangsseite werden durch den Leistungsverstärker effektiv kalt gehalten, ähnlich wie ein Kühlschrank sein Inneres kalt hält, indem er kontinuierlich Wärme abpumpt. Der Sender verbraucht fast keinen Strom, der Empfänger verbraucht jedoch erhebliche Energie, bis zu 2 Watt. Dies ähnelt Empfängern in anderen Kommunikationssystemen mit extrem geringem Stromverbrauch. Nahezu der gesamte Stromverbrauch erfolgt an einer Basisstation, für die keine Einschränkungen hinsichtlich des Energieverbrauchs gelten.

Viele Forscher auf der ganzen Welt haben verwandte passive Kommunikationsmethoden erforscht, die als Rückstreuung bekannt sind. Ein Rückstreudatensender sieht unserem Datensendergerät sehr ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass es in einem Rückstreukommunikationssystem neben dem Datensender und dem Datenempfänger eine dritte Komponente gibt, die eine Funkwelle erzeugt. Die vom Datensender durchgeführte Umschaltung hat den Effekt, dass diese Funkwelle reflektiert wird, die dann vom Empfänger aufgenommen wird.

Ein Rückstreugerät hat die gleiche Energieeffizienz wie unser System, der Rückstreuaufbau ist jedoch viel komplexer, da eine signalerzeugende Komponente erforderlich ist. Allerdings hat unser System eine geringere Datenrate und Reichweite als Rückstreufunkgeräte oder herkömmliche Funkgeräte.

Ein Bereich für zukünftige Arbeiten besteht darin, die Datenrate und -reichweite unseres Systems zu verbessern und es in Anwendungen wie implantierten Geräten zu testen. Bei implantierten Geräten besteht ein Vorteil unserer neuen Methode darin, dass der Patient nicht einem starken externen Funksignal ausgesetzt werden muss, das zu einer Gewebeerwärmung führen kann. Noch spannender ist, dass verwandte Ideen ihrer Meinung nach andere neue Formen der Kommunikation ermöglichen könnten, bei denen andere natürliche Signalquellen, wie beispielsweise thermisches Rauschen von biologischem Gewebe oder anderen elektronischen Komponenten, moduliert werden können.

Schließlich könnte diese Arbeit zu neuen Verbindungen zwischen dem Studium der Wärme (Thermodynamik) und dem Studium der Kommunikation (Informationstheorie) führen. Diese Bereiche werden oft als analog betrachtet, aber diese Arbeit schlägt einige wörtlichere Verbindungen zwischen ihnen vor.

Autoren: Joshua R. Smith, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie für Informatik und Ingenieurwesen, University of Washington, Zerina Kapetanovic, stellvertretende Assistenzprofessorin für Elektrotechnik, Stanford University.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.