영리한 무선 송신기는 처음에는 '물리 법칙을 위반하는 것처럼 보입니다'

라이언 후버/UW ECE

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새로운 초저전력 통신 방식은 얼핏 보면 물리 법칙을 위반하는 것처럼 보입니다. 저항과 안테나를 연결하는 스위치를 열고 닫는 것만으로 무선으로 정보를 전송할 수 있다. 안테나에 전원을 보낼 필요가 없습니다.

환경에서 에너지를 수확하는 기술과 결합된 이 시스템은 배터리나 기타 전원 없이 소형 센서, 이식형 의료 기기 등 데이터를 전송하는 모든 종류의 장치로 이어질 수 있습니다. 여기에는 스마트 농업을 위한 센서, 배터리 교체가 필요 없는 체내 이식 전자 장치, 향상된 비접촉식 신용 카드, 심지어 위성 통신을 위한 새로운 방법까지 포함됩니다.

스위치를 켜는 데 필요한 에너지 외에 정보를 전송하는 데 다른 에너지는 필요하지 않습니다. 우리의 경우 스위치는 아주 적은 양의 전력을 소비하는 움직이는 부품이 없는 전기적으로 제어되는 스위치인 트랜지스터입니다.

가장 간단한 형태의 일반 라디오에서는 스위치가 강력한 전기 신호 소스(아마도 초당 20억 번 변동하는 사인파를 생성하는 발진기)를 송신 안테나에 연결하거나 연결 해제합니다. 신호 소스가 연결되면 안테나는 1을 나타내는 전파를 생성합니다. 스위치가 연결 해제되면 전파가 없어 0을 나타냅니다.

표시된 것은 전원이 공급되는 신호 소스가 필요하지 않다는 것입니다. 대신, 전자의 열 구동 운동으로 인해 모든 전기 전도성 물질에 존재하는 무작위 열 잡음이 안테나를 구동하는 신호를 대신할 수 있습니다.

무선 시스템을 연구하는 전기 엔지니어 팀입니다. 최근 Proceedings of the National Academy of Sciences에 발표된 이 연구에 대한 우리 논문의 피어 리뷰에서 리뷰어들은 이 방법이 영구 운동 기계의 이유를 설명하는 물리학의 주요 법칙인 열역학 제2법칙을 위반하지 않는 이유를 설명해달라고 요청했습니다. 불가능합니다.

영구 운동 기계는 외부 소스의 에너지 없이 무한정 작동할 수 있는 이론적인 기계입니다. 검토자들은 전력이 공급되지 않는 구성 요소와 동일한 온도의 송신기와 수신기 모두에서 정보를 보내고 받는 것이 가능하다면 영구 운동 기계를 만들 수 있다는 것을 의미한다고 걱정했습니다. 이는 불가능하기 때문에 우리의 작업이나 작업에 대한 이해에 문제가 있음을 의미합니다.

두 번째 법칙을 설명할 수 있는 한 가지 방법은 열이 더 뜨거운 물체에서 더 차가운 물체로 자발적으로 흐른다는 것입니다. 송신기의 무선 신호는 열을 전달합니다. 두 장치 사이에 온도 차이가 없는 상태에서 송신기에서 수신기로 자발적인 신호 흐름이 있는 경우 제2법칙을 위반하여 해당 흐름을 수확하여 자유 에너지를 얻을 수 있습니다.

이렇게 역설적으로 보이는 문제를 해결하는 방법은 시스템의 수신기에 전원이 공급되고 냉장고처럼 작동한다는 것입니다. 수신 측의 신호 전달 전자는 전력 증폭기에 의해 효과적으로 차갑게 유지됩니다. 이는 냉장고가 지속적으로 열을 펌핑하여 내부를 차갑게 유지하는 것과 유사합니다. 송신기는 전력을 거의 소비하지 않지만 수신기는 최대 2와트에 달하는 상당한 전력을 소비합니다. 이는 다른 초저전력 통신 시스템의 수신기와 유사합니다. 거의 모든 전력 소비는 에너지 사용에 대한 제약이 없는 기지국에서 발생합니다.

전 세계의 많은 연구자들이 후방 산란(backscatter)으로 알려진 관련 수동 통신 방법을 탐구해 왔습니다. 후방 산란 데이터 송신기는 데이터 송신기 장치와 매우 유사해 보입니다. 차이점은 후방 산란 통신 시스템에는 데이터 송신기와 데이터 수신기 외에 전파를 생성하는 세 번째 구성 요소가 있다는 것입니다. 데이터 송신기에 의해 수행되는 전환은 해당 전파를 반사하는 효과가 있으며, 이는 수신기에 의해 수신됩니다.