В лесу мы часто наблюдаем, что сигнал Wi-Fi становится более слабым. Ограничения, которые растения накладывают на работу радиочастотных приемопередающих систем, решили исследовать ученые МФТИ и Тель-Авивского университета (Tel Aviv University). В результате они пришли к неожиданному выводу: растения могут не только ограничивать сигнал, но и напротив, благодаря высокой концентрации воды, выступать в качестве элементов диэлектрической резонансной антенны. Работа опубликована в журнале AIP Publishing.
Эксперимент по определению диэлектрической проницаемости кактуса. Источник: AIP Publishing
«В начале проекта перед нами стояло как минимум две задачи: повышение урожайности с использованием электродинамических свойств растений и применение изученных электродинамических характеристик для улучшения Wi-Fi-связи в лесных массивах. Для этого необходимо было понять, в какие цепочки и связи выстраиваются жидкости в капиллярах растений. У живой системы разные электродинамические параметры. Изучая их с помощью методов СВЧ, мы отслеживаем динамику роста растений и можем наметить грамотный и своевременный уход», — рассказывает Дмитрий Филонов, руководитель лаборатории радиофотоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ученые исследовали, когда листья могут стать электромагнитными резонансными структурами и поглощать или переизлучать энергию. Им удалось найти взаимосвязь между ростом растения и его способностью улучшать или ухудшать Wi-Fi связь.
«Изучив электромагнитную структуру, мы захотели решить обратную задачу: использовать систему не с целью поглощения, а с целью излучения, и в этом моменте появилась антенна из кактуса. Она стала реальной проверкой всех наших гипотез: мы знаем, как с точки зрения электродинамики устроено растение, как оно может влиять на сигналы и как это можно использовать для излучения», — резюмирует Дмитрий Филонов.
Высокая доля воды внутри растительности вызывает множественные электромагнитные резонансы. Например, стебли кактуса nopal, который исследовали ученые, почти на 75–85% состоят из воды, что и позволило использовать его в качестве естественной широкополосной всенаправленной антенны, работающей в нескольких диапазонах связи Wi-Fi от 900 МГц до 7,7 ГГц.
Ученые математически описали, как устроены поле и резонансы у стебля, подключили к нему источник, и кактус начал генерировать электромагнитное излучение. Почему именно кактус? Это очень распространенное растение в Израиле. Кроме того, оно часто встречается в засушливых и пустынных районах, где установка беспроводной связи является очень сложной задачей.
Дальнейшие исследования растений как функциональных электромагнитных элементов могут внести свой вклад в общее направление экологически чистых многофункциональных устройств, способствуя развитию зеленых технологий.
