Transmissor sem fio inteligente 'parece violar as leis da física' a princípio

Ryan Hoover/UW ECE

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À primeira vista, um novo método de comunicação de ultrabaixa potência parece violar as leis da física. É possível transmitir informações sem fio simplesmente abrindo e fechando um interruptor que conecta um resistor a uma antena. Não há necessidade de enviar energia para a antena.

Esse sistema, combinado com técnicas de coleta de energia do ambiente, pode levar a todos os tipos de dispositivos que transmitem dados, incluindo pequenos sensores e dispositivos médicos implantados, sem a necessidade de baterias ou outras fontes de energia. Isso inclui sensores para agricultura inteligente, eletrônicos implantados no corpo que nunca precisam de troca de bateria, melhores cartões de crédito sem contato e talvez até novas maneiras de os satélites se comunicarem.

Além da energia necessária para ligar o interruptor, nenhuma outra energia é necessária para transmitir a informação. No nosso caso, o interruptor é um transistor, um interruptor controlado eletricamente sem partes móveis que consomem uma quantidade minúscula de energia.

Na forma mais simples de rádio comum, um switch conecta e desconecta uma forte fonte de sinal elétrico – talvez um oscilador que produz uma onda senoidal flutuando 2 bilhões de vezes por segundo – à antena de transmissão. Quando a fonte de sinal está conectada, a antena produz uma onda de rádio, indicando um 1. Quando o interruptor está desconectado, não há onda de rádio, indicando um 0.

O que é mostrado é que uma fonte de sinal energizada não é necessária. Em vez disso, o ruído térmico aleatório, presente em todos os materiais eletricamente condutores devido ao movimento dos elétrons movidos pelo calor, pode substituir o sinal que aciona a antena.

Uma equipe de engenheiros elétricos que pesquisam sistemas sem fio. Durante a revisão por pares de nosso artigo sobre essa pesquisa, publicado recentemente na Proceedings of the National Academy of Sciences, os revisores nos pediram para explicar por que o método não violava a segunda lei da termodinâmica, a principal lei da física que explica por que as máquinas de movimento perpétuo não são possíveis.

As máquinas de movimento perpétuo são máquinas teóricas que podem funcionar indefinidamente sem exigir energia de qualquer fonte externa. Os revisores temiam que, se fosse possível enviar e receber informações sem componentes energizados e com o transmissor e o receptor na mesma temperatura, isso significaria que você poderia criar uma máquina de movimento perpétuo. Como isso é impossível, implicaria que havia algo errado com nosso trabalho ou com nossa compreensão dele.

Uma maneira pela qual a segunda lei pode ser declarada é que o calor fluirá espontaneamente apenas de objetos mais quentes para objetos mais frios. Os sinais sem fio do nosso transmissor transportam calor. Se houvesse um fluxo espontâneo de sinal do transmissor para o receptor na ausência de uma diferença de temperatura entre os dois, você poderia coletar esse fluxo para obter energia livre, violando a segunda lei.

A resolução desse aparente paradoxo é que o receptor em nosso sistema é alimentado e age como uma geladeira. Os elétrons portadores de sinal no lado receptor são efetivamente mantidos frios pelo amplificador alimentado, semelhante a como um refrigerador mantém seu interior frio bombeando continuamente o calor para fora. O transmissor quase não consome energia, mas o receptor consome energia substancial, até 2 watts. Isso é semelhante aos receptores em outros sistemas de comunicação de ultra baixa potência. Quase todo o consumo de energia ocorre em uma estação base que não possui restrições no uso de energia.

Muitos pesquisadores em todo o mundo têm explorado métodos de comunicação passiva relacionados, conhecidos como backscatter. Um transmissor de dados de retroespalhamento é muito semelhante ao nosso dispositivo transmissor de dados. A diferença é que em um sistema de comunicação backscatter, além do transmissor de dados e do receptor de dados, existe um terceiro componente que gera uma onda de rádio. A comutação realizada pelo transmissor de dados tem o efeito de refletir essa onda de rádio, que é então captada pelo receptor.