Taki pomysł postanowili sprawdzić badacze z Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej, którzy wykorzystali laser do stworzenia anteny z powietrza. Nie jest to jednak zwyczajny pokaz możliwości technologii laserowej, bo naukowcy rzeczywiście zmusili powstałą w ten sposób strukturę do emitowania fal radiowych.
Jak zrobić antenę z powietrza? Laser i plazma wystarczą, ale…
Cała sztuczka sprowadza się do plazmy, czyli stanu materii, w którym część elektronów zostaje oderwana od atomów lub cząsteczek. Odpowiednio dobrana wiązka lasera potrafi zjonizować wąski fragment powietrza i stworzyć w nim charakterystyczny kanał plazmowy. Taka struktura zawiera swobodne nośniki ładunku, dzięki czemu może reagować na pole elektromagnetyczne i w pewnych warunkach pełnić funkcję anteny.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Sam laser nie wystarczy jednak do nadawania sygnału. Zespół badawczy pod kierownictwem Pryi Darshni musiał jeszcze rozwiązać problem dostarczenia energii o częstotliwości radiowej do powstałego kanału. Zwykły przewód mógłby zaburzyć delikatną strukturę plazmy, więc naukowcy wykorzystali metalowy pierścień otaczający wiązkę lasera. Pełni on funkcję sprzężenia pojemnościowego, dzięki któremu generator radiowy oddziałuje na elektrony w plazmie bez bezpośredniego kontaktu.
Efekt? Powietrze zjonizowane przez laser zaczyna emitować fale radiowe. Co ważniejsze, naukowcy mogą wpływać na długość i kierunek takiej anteny poprzez zmianę parametrów wiązki. Ma to znaczenie, ponieważ geometria anteny wpływa na jej charakterystykę oraz zakres obsługiwanych częstotliwości. W klasycznych rozwiązaniach podobna regulacja może wymagać mechanicznych zmian konstrukcji, a tutaj wystarczyłoby odpowiednie sterowanie laserem. Przynajmniej w teorii.
Antena rzeczywiście działa, ale miała “łatwo”
Naukowcy wykorzystali częstotliwość 30 MHz, której odpowiada fala radiowa o długości około 10 metrów. W porównaniu z układem, w którym laser nie tworzył plazmy, odbierany sygnał był 2,5 razy silniejszy. Tyle tylko, że w ramach eksperymentu naukowcy umieścili antenę odbiorczą zaledwie około 5 centymetrów od nadajnika.
Czytaj też: Strzelili w diament materiałem rozpędzonym do prędkości ponad Mach 8. Nie uwierzysz, co się stało
Mówimy więc o pomiarze w polu bliskim, a nie o komunikacji na odległość kilku kilometrów. Wyniki potwierdziły więc, że kanał plazmowy rzeczywiście uczestniczy w emisji fal elektromagnetycznych, ale nie mówią nam jeszcze wiele o skuteczności takiej anteny w rzeczywistym systemie komunikacyjnym. Badacze nie wykazali również możliwości odbierania sygnału za jej pomocą, choć uważają, że nie istnieją fundamentalne przeszkody, które całkowicie wykluczałyby taką funkcję.
Dla mnie najważniejszy jest więc fakt, że naukowcy udowodnili zasadę działania, a nie stworzyli gotowy zamiennik klasycznych anten. Zresztą podobną próbę odejścia od tradycyjnych konstrukcji opisywałem już przy technologii Quantum Spectrum, która wykorzystuje wzbudzone atomy do wykrywania sygnałów radiowych. Oba rozwiązania pokazują, że przyszłość komunikacji bezprzewodowej może wymagać czegoś więcej niż tylko ulepszania dotychczasowych metalowych przewodników.
Antena z lasera w kosmosie?
Największą zagadką pozostaje potencjalne wykorzystanie tej technologii w przestrzeni kosmicznej. Skoro antena powstaje ze zjonizowanego powietrza, to skąd wziąć je na orbicie? Według Paula Franzona, współautora badania, na niskiej orbicie okołoziemskiej występuje wystarczająco dużo rozrzedzonego gazu, aby wytworzyć plazmę. Nie oznacza to jednak, że laser będzie zachowywał się tam tak samo jak w ziemskim laboratorium. Gęstość gazu jest przecież nieporównywalnie mniejsza, co zmienia warunki jego jonizacji i utrzymywania kanału plazmowego.
Do tego dochodzi kwestia zapotrzebowania na energię. Klasyczna metalowa antena nie potrzebuje dodatkowego zasilania tylko po to, żeby fizycznie istnieć. W przypadku rozwiązania plazmowego musimy natomiast uwzględnić laser, jego elektronikę, źródło energii oraz cały system sterowania. Innymi słowy, bez informacji o sprawności promieniowania i kosztach energetycznych trudno więc ocenić, czy taka konstrukcja rzeczywiście pozwoli zmniejszyć masę satelity.
Nie spodziewam się zatem, że plazmowe anteny błyskawicznie zastąpią klasyczne rozwiązania. Naukowcy muszą najpierw wykazać, że potrafią przesyłać sygnał na większe odległości, pracować w różnych pasmach częstotliwości i utrzymywać stabilną emisję przy rozsądnym zużyciu energii. Mimo to sam eksperyment uważam za ważny, bo pokazuje, że nawet tak dobrze znany element elektroniki jak antena można stworzyć zupełnie inaczej. Czy lepiej? O tym zdecyduje ostateczny rachunek masy, energii i skuteczności. Zwłaszcza w kosmosie, gdzie każdy dodatkowy kilogram i wat mają znaczenie.
Źródła: IEEE Journal of Microwaves, Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej
