Un nuovo tipo di antenna tascabile, sviluppato presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, potrebbe consentire la comunicazione mobile in situazioni in cui le radio convenzionali non funzionano, come sott'acqua, attraverso il suolo e su distanze molto lunghe attraverso l'aria.

Il dispositivo emette radiazioni a bassissima frequenza (VLF) con lunghezze d'onda da decine a centinaia di miglia. Queste onde percorrono lunghe distanze oltre l'orizzonte e possono penetrare in ambienti che bloccherebbero le onde radio con lunghezze d'onda più corte. Mentre la tecnologia VLF più potente di oggi richiede emettitori giganteschi, questa antenna è alta solo quattro pollici, quindi potrebbe essere potenzialmente utilizzato per compiti che richiedono elevata mobilità, comprese le missioni di salvataggio e difesa.

"Il nostro dispositivo è anche centinaia di volte più efficiente e può trasmettere dati più velocemente rispetto ai dispositivi precedenti di dimensioni comparabili, " ha detto Mark Kemp di SLAC, ricercatore principale del progetto. "Le sue prestazioni spingono i limiti di ciò che è tecnologicamente possibile e mettono le applicazioni VLF portatili, come inviare brevi messaggi di testo in situazioni difficili, a portata di mano."

Il team guidato da SLAC ha riportato i risultati oggi in Comunicazioni sulla natura .

Una sfida considerevole

Nelle moderne telecomunicazioni, le onde radio trasportano le informazioni attraverso l'aria per le trasmissioni radiofoniche, radar e sistemi di navigazione e altre applicazioni. Ma le onde radio a lunghezza d'onda più corta hanno i loro limiti:il segnale che trasmettono diventa debole su distanze molto lunghe, non può attraversare l'acqua ed è facilmente bloccato da strati di roccia.

In contrasto, la lunghezza d'onda più lunga della radiazione VLF gli consente di viaggiare per centinaia di piedi attraverso terra e acqua e migliaia di miglia oltre l'orizzonte attraverso l'aria.

Però, La tecnologia VLF presenta anche grandi sfide. Un'antenna è più efficiente quando la sua dimensione è paragonabile alla lunghezza d'onda che emette; La lunga lunghezza d'onda del VLF richiede enormi array di antenne che si estendono per miglia. I trasmettitori VLF più piccoli sono molto meno efficienti e possono pesare centinaia di libbre, limitando la loro destinazione d'uso come dispositivi mobili. Un'altra sfida è la larghezza di banda ridotta della comunicazione VLF, che limita la quantità di dati che può trasmettere.

La nuova antenna è stata progettata tenendo presente questi problemi. Le sue dimensioni compatte potrebbero consentire di costruire trasmettitori che pesano solo poche libbre. Nei test che hanno inviato segnali dal trasmettitore a un ricevitore a 100 piedi di distanza, i ricercatori hanno dimostrato che il loro dispositivo produceva radiazioni VLF 300 volte in modo più efficiente rispetto alle precedenti antenne compatte e trasmetteva dati con una larghezza di banda quasi 100 volte maggiore.

"Ci sono molte interessanti potenziali applicazioni per la tecnologia, " Kemp ha detto. "Il nostro dispositivo è ottimizzato per la comunicazione a lungo raggio attraverso l'aria, e la nostra ricerca sta esaminando la scienza fondamentale alla base del metodo per trovare modi per migliorare ulteriormente le sue capacità".

Un'antenna meccanica

Per generare radiazioni VLF, il dispositivo sfrutta il cosiddetto effetto piezoelettrico, che converte lo stress meccanico in un accumulo di carica elettrica.

I ricercatori hanno utilizzato un cristallo a forma di bastoncino di materiale piezoelettrico, niobato di litio, come la loro antenna. Quando applicavano una tensione elettrica oscillante all'asta, questa vibrava, alternativamente restringersi ed espandersi, e questo stress meccanico ha innescato una corrente elettrica oscillante la cui energia elettromagnetica è stata poi emessa come radiazione VLF.

La corrente elettrica deriva da cariche elettriche che si muovono su e giù per l'asta. Nelle antenne convenzionali, questi movimenti sono vicini alla stessa dimensione della lunghezza d'onda della radiazione che producono, e i progetti più compatti in genere richiedono unità di sintonizzazione più grandi dell'antenna stessa. Il nuovo approccio, d'altra parte, "ci permette di eccitare in modo efficiente onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda che sono molto più grandi dei movimenti lungo il cristallo e senza grandi sintonizzatori, ecco perché questa antenna è così compatta, " ha detto Kemp.

I ricercatori hanno anche trovato un modo intelligente per modificare la lunghezza d'onda della radiazione emessa, ha detto:"Cambiamo ripetutamente la lunghezza d'onda durante il funzionamento, che ci permette di trasmettere con un'ampia larghezza di banda. Questa è la chiave per raggiungere velocità di trasferimento dati di oltre 100 bit al secondo, sufficienti per inviare un semplice testo".