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Apr 01, 2023

Pesquisadores criam janelas de vidro inteligentes que podem polarizar a luz do sol para transmissão de dados sem fio

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Basem Shihada, professor associado de Ciência da Computação na Universidade de Ciências e Tecnologia King Abdullah (KAUST), estava explorando a codificação de dados em uma fonte de luz artificial quando se perguntou se o mesmo poderia ser feito com a luz do sol.

"Eu simplesmente esperava usar uma câmera de telefone celular para gravar um vídeo do fluxo de luz codificado para tentar decodificar o vídeo para recuperar os dados; foi quando pensei: por que não fazer o mesmo com a luz do sol?" Shihada disse em um comunicado. "Isso seria muito mais fácil e pode ser feito também pela câmera do celular. Então começamos a explorar a luz solar como portadora de informações."

Segundo seu estudo, "quantidades consideráveis ​​de luz ambiente permanecem inexploradas e são usadas principalmente para fins de iluminação. Essa luz pode ser modulada para transmitir dados, oferecendo uma solução complementar para comunicação sem fio".

O fluxo de luz do sol através de uma janela pode ser facilmente aproveitado para transmissão de dados sem fio para dispositivos eletrônicos.

Shihada e sua equipe de pesquisadores da KAUST imediatamente começaram a trabalhar e projetaram um sistema de vidro inteligente (vidro comutável) que pode regular a luz solar que passa por ele. O sistema codificaria dados na luz que podem ser detectados e decodificados por dispositivos na sala.

O sistema não é apenas inovador, mas também oferece um modo de comunicação mais ecológico em comparação com o Wi-Fi convencional ou a transmissão de dados por celular.

A pesquisa foi publicada no IEEE Photonics Journal.

Jornal IEEE Photonics (2022)

O sistema concebido compreende duas partes - um modulador de luz que pode ser embutido em uma superfície de vidro e um receptor no quarto.

“O modulador é uma matriz de nossos elementos de vidro inteligentes propostos, conhecidos como persianas de cristal líquido de célula dupla (DLSs)”, disse Osama Amin, cientista pesquisador nos laboratórios de Shihada. A matriz do obturador líquido exigiria apenas um Watt de potência para operar, sendo sua função codificar sinais na luz à medida que ela passa, agindo como um filtro. A energia seria fornecida usando um pequeno painel solar.

Sahar Ammar, aluno da equipe de Shihada, explicou que os dados geralmente são codificados pela variação da intensidade da luz. "Mas se a frequência dessas mudanças de intensidade for muito baixa, pode ser detectada pelo olho humano e causar um efeito de cintilação desconfortável", disse ela.

Portanto, o DLS é projetado de forma que possa manipular a polarização. "A mudança na polarização da luz é imperceptível a olho nu, eliminando o problema de cintilação", disse Ammar. "O sistema de comunicação funciona alterando a polarização da luz solar incidente no lado do modulador. O receptor pode detectar essa alteração para decodificar os dados transmitidos."

Segundo a equipe, a configuração projetada pode transmitir dados a 16 kilobits por segundo. "Agora estamos encomendando o hardware necessário para uma implementação de protótipo de teste. Gostaríamos de aumentar as taxas de dados de kilobits para mega e gigabits por segundo", acrescentou Shihada.

Resumo do estudo:

A energia solar é amplamente utilizada para geração de eletricidade, sistemas de aquecimento e iluminação diurna do ambiente interno. De fato, grandes quantidades de energia solar permanecem insuficientemente usadas. Neste trabalho, visamos empregar a energia solar para transmissão de dados como uma opção verde para comunicações sem fio. Por ser emitida por uma fonte incontrolável, domar a luz solar é uma tarefa desafiadora que requer tecnologias apropriadas para manipular a luz incidente. Dispositivos de cristal líquido são tecnologias de vidro comutáveis ​​que possuem tempo de resposta e características de contraste adequadas para tal aplicação. A esse respeito, projetamos um novo obturador de cristal líquido (DLS) de célula dupla empilhando duas células de cristal líquido que operam de maneiras opostas e construímos nosso modulador de luz solar com uma matriz de DLSs. Em seguida, adotamos multiplexação por divisão de tempo e modulação baseada em polarização para aumentar a taxa de dados e eliminar o efeito de cintilação. Além disso, fornecemos modelagem matemática do sistema e estudamos seu desempenho em termos de comunicação e consumo de energia. Por fim, apresentamos alguns resultados numéricos para examinar o impacto de vários parâmetros no desempenho do sistema e compará-los com o estado da arte, que mostrou que nosso sistema apresenta taxas de dados mais altas e faixas de link estendidas.