Cientistas demonstraram um novo tipo de antena de rádio que se parece muito com um sabre de luz. Em vez de usar uma estrutura metálica tradicional, o dispositivo depende de um laser para criar um feixe estreito de plasma capaz de transmitir ondas de rádio.
A tecnologia poderá eventualmente tornar possível a criação de antenas que mudam de comprimento e direção sob demanda, abrindo novas possibilidades para comunicações sem fio, radar, satélite e exploração espacial.
“A antena de feixe de plasma se parece com um sabre de luz e é ajustável, o que significa que devemos ser capazes de transmitir em uma ampla faixa de frequências”, disse o autor correspondente de um artigo de jornal sobre o trabalho e o Ph.D. Priya Darshani diz. Estudante da Universidade Estadual da Carolina do Norte. “E embora não tenhamos demonstrado a sua capacidade de servir como antena para receber sinais de rádio, não há razão para acreditar que não serviria também como receptor.”
“Este é um conceito novo e interessante que permite ter uma antena otimizada sem mecanismos complexos de implantação mecânica”, diz Paul Franzen, co-autor do artigo e distinto professor de engenharia elétrica e de computação da Cirrus Logic na NC State.
Por que os cientistas querem antenas feitas de plasma?
As antenas tradicionais dependem muito de suas dimensões físicas. Em particular, o comprimento de uma antena ajuda a determinar quais frequências de rádio ela pode transmitir ou receber com eficiência. Alterar esse comprimento pode permitir que a antena opere em frequências diferentes, mas fazer tais ajustes geralmente requer a movimentação de componentes mecânicos ou engenharia complexa.
Isto se torna particularmente desafiador em aplicações como a exploração espacial, onde os dispositivos devem ser compactos, leves e confiáveis.
Os pesquisadores da Carolina do Norte queriam investigar se o laser poderia oferecer uma solução mais simples, construindo uma antena diretamente no ar circundante. A ideia era ajustar o laser para produzir um feixe de plasma com o comprimento desejado, em vez de estender ou retrair fisicamente a antena metálica.
“Uma das questões que queríamos explorar neste trabalho era se seria possível criar antenas de plasma usando lasers, o que nos permitiria gerar antenas de qualquer comprimento”, diz Darshani. “E agora mostramos que isso é possível.”
Convertendo um feixe de laser em uma antena de rádio
A abordagem começa com um laser direcionado pelo ar. Ao controlar cuidadosamente a potência do laser e o diâmetro do feixe, os pesquisadores podem ionizar uma região estreita do ar, retirando elétrons de átomos e moléculas para produzir um plasma.
O plasma é frequentemente descrito como o quarto estado da matéria, junto com sólidos, líquidos e gases. Por conter partículas eletricamente carregadas, pode interagir com campos eletromagnéticos de uma forma que o ar normal não consegue.
Neste experimento, o laser cria um canal fino e concentrado de plasma conhecido como filamento de plasma. Este filamento se torna a base da antena.
Contudo, criar o feixe de plasma foi apenas parte do desafio. Para transmitir ondas de rádio, a equipe também precisava de uma forma de transmitir sinais elétricos ao plasma sem depender das conexões físicas tradicionais.
A solução deles foi uma alimentação de antena sem contato especialmente projetada.
O sistema utiliza um anel de metal que atua como capacitor, componente que armazena energia elétrica em um campo elétrico. O laser passa pelo centro do anel, produzindo um filamento de plasma que se propaga através do campo eletromagnético que envolve o capacitor.
Este arranjo permite aos pesquisadores transferir energia para o plasma sem tocá-lo fisicamente.
Quando um gerador de radiofrequência envia um sinal para o capacitor, o campo eletromagnético resultante interage com o filamento de plasma. Essa interação faz com que o filamento transmita ondas de rádio na frequência fornecida.
Usando este método, os pesquisadores demonstraram com sucesso a transmissão de rádio em 30 megahertz (MHz) dentro da banda de rádio de frequência muito alta (VHF).
Uma antena que pode mudar comprimento e direção
Uma das características mais promissoras da tecnologia é a sua flexibilidade potencial. Como a antena é criada por laser em vez de ser construída a partir de uma estrutura metálica fixa, suas dimensões podem ser ajustadas alterando as configurações do laser.
“Ao controlar os parâmetros do laser, você pode controlar as características do filamento de plasma – incluindo seu comprimento”, diz Darshani. “Isso é valioso para aplicações onde você precisa de uma antena que possa varrer todas as frequências. Mas também tem outro benefício.
“Existem também aplicações onde é importante poder controlar o ângulo da antena para apontar a direção da varredura do radar ou melhorar a força do sinal que você deseja capturar”, diz Darshani. “A tecnologia que demonstramos aqui permitirá aos usuários controlar o ângulo da antena do filamento de plasma através da direção do feixe – simplesmente mudando a direção do laser.”
Esta capacidade pode ser valiosa em sistemas que precisam se comunicar através de diferentes frequências de rádio ou sinais diretos para locais específicos.
As antenas tradicionais podem exigir dispositivos mecânicos para alterar sua orientação. Uma antena de plasma gerada a laser poderia realizar ajustes semelhantes direcionando o próprio feixe de laser, reduzindo a necessidade de peças móveis.
Embora os investigadores tenham demonstrado que o filamento de plasma pode transmitir ondas de rádio, a sua capacidade de receber sinais e operar numa vasta gama de frequências ainda não foi testada.
Aplicações potenciais em satélites e exploração espacial
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia poderá eventualmente servir a muitos propósitos, sendo a exploração de satélites e do espaço uma das possibilidades mais promissoras.
Os projetistas de espaçonaves enfrentam limites rígidos quanto ao peso e tamanho dos instrumentos que podem lançar. Os sistemas de antenas convencionais também podem exigir mecanismos de implantação complexos, especialmente quando grandes estruturas devem ser dobradas para lançamento e estendidas após chegarem ao espaço.
Uma antena gerada por laser poderia oferecer uma abordagem diferente, permitindo potencialmente que naves espaciais criassem e ajustassem antenas sem ter que carregar os mesmos tipos de estruturas mecânicas.
A capacidade de operar em diferentes frequências de rádio também pode ser útil para comunicações de naves espaciais e instrumentos científicos.
“Há ar suficiente na órbita baixa da Terra para criar plasma”, diz Franzen.
Embora isto sugira uma aplicação potencial na fina atmosfera que rodeia a Terra, a tecnologia ainda está nos estágios iniciais de experimentação. Pesquisas adicionais serão necessárias para determinar a eficácia com que as antenas de plasma geradas por laser podem funcionar em condições espaciais reais.
Primeira demonstração bem-sucedida abre portas para novas pesquisas
Por enquanto, os pesquisadores veem sua conquista como uma importante prova de conceito. Eles mostraram que um laser pode gerar um filamento de plasma que atua como uma antena transmissora, estabelecendo as bases para melhorias futuras.
“Este é um primeiro passo, mas é um grande passo – é a primeira vez que alguém demonstra que antenas de filamento de plasma podem funcionar”, diz Darshani. “Agora que mostramos que é possível, podemos começar a melhorar seu desempenho”.
As descobertas são descritas em um artigo de acesso aberto, “Antena de filamento de plasma induzido por laser transmitindo VHF de 30 MHz”, publicado no IEEE Journal of Microwaves.
Arthur Dogariu, afiliado à Texas A&M University e à Princeton University, foi coautor da pesquisa e contribuiu para as medições experimentais.
A equipe de pesquisa também agradece a Chris Hewett, Byron Good e Joe McElveen, da loja de instrumentos da NC State, por sua engenhosidade na fabricação dos componentes usados nos experimentos.
