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May 01, 2023

Los investigadores diseñan ventanas de vidrio inteligentes que pueden polarizar la luz solar para la transmisión inalámbrica de datos

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Basem Shihada, profesor asociado de Ciencias de la Computación en la Universidad de Ciencias y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), había estado explorando la codificación de datos en una fuente de luz artificial cuando se preguntó si se podría hacer lo mismo con la luz solar.

"Simplemente esperaba usar la cámara de un teléfono celular para grabar un video del flujo de luz codificado para tratar de decodificar el video y recuperar los datos; fue entonces cuando pensé, ¿por qué no hacer lo mismo con la luz del sol?". Shihada dijo en un comunicado. "Esto sería mucho más fácil y también se puede hacer con la cámara del teléfono celular. Así que comenzamos a explorar la luz solar como portadora de información".

Según su estudio, “cantidades considerables de luz ambiental permanecen sin explotar y se utilizan principalmente con fines de iluminación. Dicha luz se puede modular para transmitir datos ofreciendo una solución complementaria para la comunicación inalámbrica”.

La luz del sol que entra por una ventana podría aprovecharse fácilmente para la transmisión inalámbrica de datos a dispositivos electrónicos.

Shihada y su equipo de investigadores de KAUST se pusieron manos a la obra de inmediato y diseñaron un sistema de vidrio inteligente (vidrio conmutable) que puede regular la luz solar que pasa a través de él. El sistema codificaría datos en la luz que pueden ser detectados y decodificados por dispositivos en la habitación.

El sistema no solo es innovador, sino que también ofrece un modo de comunicación más ecológico en comparación con la transmisión de datos celular o Wi-Fi convencional.

La investigación fue publicada en el IEEE Photonics Journal.

Revista de fotónica IEEE (2022)

El sistema ideado consta de dos partes: un modulador de luz que se puede incrustar en una superficie de vidrio y un receptor en la habitación.

"El modulador es una matriz de nuestros elementos de vidrio inteligente propuestos conocidos como persianas de cristal líquido de doble celda (DLS)", dijo Osama Amin, científico investigador en los laboratorios de Shihada. La matriz de obturador líquido requeriría solo un vatio de potencia para operar, su función es codificar señales en la luz a medida que pasa, actuando como un filtro. La energía se suministraría mediante un pequeño panel solar.

Sahar Ammar, estudiante del equipo de Shihada, explicó que los datos generalmente se codifican variando la intensidad de la luz. "Pero si la frecuencia de estos cambios de intensidad es demasiado baja, el ojo humano puede detectarlos y causar un incómodo efecto de parpadeo", dijo.

Por lo tanto, el DLS está diseñado de tal manera que puede manipular la polarización. "El cambio en la polarización de la luz es imperceptible para el ojo, lo que elimina el problema del parpadeo", dijo Ammar. "El sistema de comunicación funciona cambiando la polarización de la luz solar entrante en el lado del modulador. El receptor puede detectar este cambio para decodificar los datos transmitidos".

Según el equipo, la configuración diseñada puede transmitir datos a 16 kilobits por segundo. "Ahora estamos solicitando el hardware necesario para la implementación de un prototipo de banco de pruebas. Nos gustaría aumentar las tasas de datos de kilobits a megabits y gigabits por segundo", agregó Shihada.

Resumen del estudio:

La energía solar se usa ampliamente para la generación de electricidad, los sistemas de calefacción y la iluminación diurna del ambiente interior. De hecho, grandes cantidades de energía solar siguen siendo insuficientemente utilizadas. En este trabajo, nuestro objetivo es emplear la energía solar para la transmisión de datos como una opción ecológica para las comunicaciones inalámbricas. Al ser emitida por una fuente incontrolable, controlar la luz solar es una tarea desafiante que requiere tecnologías apropiadas para manipular la luz incidente. Los dispositivos de cristal líquido son tecnologías de vidrio intercambiables que tienen un tiempo de respuesta y características de contraste adecuados para dicha aplicación. En este sentido, diseñamos un nuevo obturador de cristal líquido (DLS) de doble celda apilando dos celdas de cristal líquido que funcionan de manera opuesta, y construimos nuestro modulador de luz solar con una matriz de DLS. Luego, adoptamos multiplexación por división de tiempo y modulación basada en polarización para aumentar la tasa de datos y eliminar el efecto de parpadeo. Además, proporcionamos un modelo matemático del sistema y estudiamos su rendimiento en términos de comunicación y consumo de energía. Finalmente, presentamos algunos resultados numéricos para examinar el impacto de múltiples parámetros en el rendimiento del sistema y compararlo con el estado del arte, que mostró que nuestro sistema presenta velocidades de datos más altas y rangos de enlace extendidos.