Ηλεκτρική ενέργεια χωρίς καλώδια. Προς ένα νέο κόσμο της ασύρματης ηλεκτρικής ενέργειας

Στα τέλη του 19ου αιώνα, η ανακάλυψη ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει μια λάμψη λάμπα προκάλεσε μια έκρηξη της έρευνας με στόχο να βρεθεί ο καλύτερος τρόπος για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας.

Επικεφαλής του αγώνα ήταν ο διάσημος φυσικός και εφευρέτης Νίκολα Τέσλα, ο οποίος ανέπτυξε ένα μεγαλοπρεπές έργο. Δεν μπόρεσε να πιστέψει στην πραγματικότητα ότι δημιούργησε ένα κολοσσιαίο δίκτυο καλωδίων που καλύπτει όλες τις πόλεις, τους δρόμους, τα κτίρια και τα δωμάτια, ο Tesla κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η μόνη εφικτή μέθοδος μετάδοσης είναι ασύρματο. Σχεδίασε έναν πύργο ύψους περίπου 57 μέτρων, ο οποίος υποτίθεται ότι μεταδίδει ενέργεια σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων και άρχισε να το κατασκευάζει στο Long Island. Πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων, αλλά η έλλειψη χρημάτων δεν επέτρεψε την ολοκλήρωση του πύργου. Η ιδέα της μεταφοράς της ενέργειας από τον αέρα ήταν διάσπαρτη μόλις αποδείχθηκε ότι η βιομηχανία ήταν σε θέση να αναπτύξει και να υλοποιήσει μια ενσύρματη υποδομή.

Και τώρα, πριν από μερικά χρόνια, ο αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, Μαρίνο Σολιατσίτς, ξύπνησε από ένα γλυκό όνειρο από τις επίμονες κραυγές ενός κινητού τηλεφώνου. "Το τηλέφωνο δεν σταμάτησε, απαιτώντας να το ρυθμίσω", λέει ο Soljacic. Κουρασμένος και όχι για να σηκωθεί, άρχισε να ονειρεύεται ότι το τηλέφωνο, που είναι στο σπίτι, αρχίζει να χρεώνει μόνο του.
Ο Soljacic ξεκίνησε έρευνα σχετικά με τρόπους μεταφοράς ενέργειας χωρίς καλώδια. Εγκατέλειψε έργα μεταφοράς ενέργειας μεγάλης εμβέλειας, όπως το πρόγραμμα Tesla, και επικεντρώθηκε σε μεθόδους μεταφοράς ενέργειας μικρής εμβέλειας που θα επέτρεπαν τη φόρτιση ή ακόμα και την ενεργοποίηση φορητών συσκευών - κινητών τηλεφώνων, PDAs και φορητών υπολογιστών.
Αρχικά, εξέτασε τη δυνατότητα χρήσης ραδιοκυμάτων που μεταδίδουν πληροφορίες τόσο αποτελεσματικά σε απόσταση, αλλά διαπίστωσαν ότι στην περίπτωση αυτή το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας θα διασκορπιστεί στο διάστημα. Η χρήση ενός λέιζερ απαιτούσε η πηγή ενέργειας και η επαναφορτιζόμενη συσκευή να βρίσκονται στο οπτικό πεδίο μεταξύ τους χωρίς εμπόδια μεταξύ τους. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος ήταν γεμάτη ζημιά σε αντικείμενα που αλιεύονται στη γραμμή μεταφοράς. Ως εκ τούτου, Soljacic άρχισε να ψάχνει για μια μέθοδο μετάδοσης που θα ήταν τόσο αποτελεσματική, δηλαδή, ικανή να μεταδώσει την ενέργεια χωρίς να διασκορπιστεί, και ασφαλής.
Στο τέλος, εγκατέστησε το φαινόμενο της σύζευξης συντονισμού, όταν δύο αντικείμενα συντονισμένα στην ίδια συχνότητα εντατικά ανταλλάσσουν ενέργεια μεταξύ τους, ενώ αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς με άλλα αντικείμενα. Μια κλασική εικόνα αυτής της επίδρασης είναι η εμπειρία με διάφορα ποτήρια γεμάτα με κρασί σε διαφορετικό επίπεδο από τα υπόλοιπα. Ως αποτέλεσμα, για κάθε γυαλί υπάρχει μια μοναδική συχνότητα ήχου που προκαλεί κραδασμούς. Εάν ένας τραγουδιστής λάβει μια σημείωση της κατάλληλης συχνότητας, ένα από τα γυαλιά μπορεί να λάβει μια τέτοια δόση ακουστικής ενέργειας που θα καταρρεύσει, ενώ τα υπόλοιπα γυαλιά θα παραμείνουν άθικτα.
Ο Σολιατσίκ συνειδητοποίησε ότι ο μαγνητικός συντονισμός είναι ένας πολλά υποσχόμενος τρόπος μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Το μαγνητικό πεδίο εξαπλώνεται ελεύθερα στο διάστημα και, στις σωστές συχνότητες, είναι αβλαβές για τα ζωντανά πράγματα. Συνεργαζόμενοι με τους καθηγητές φυσικής MIT John Joannopoulos και Peter Fisher και τρεις μαθητές, ανέπτυξε μια απλή συσκευή που ανάβει ασύρματα έναν λαμπτήρα 60 watt.
Η συσκευή αποτελούταν από δύο συντονισμένους συντονισμένους χάλκινους πηνία που αιωρούνται από την οροφή σε απόσταση περίπου δύο μέτρων. Ένα πηνίο συνδέθηκε με μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος και δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο. Ένα δεύτερο πηνίο συντονισμένο στην ίδια συχνότητα και συνδεδεμένο με το βολβό, που ακούγεται σε μαγνητικό πεδίο, δημιούργησε ένα ρεύμα που ανάβει τη λάμπα. Η συσκευή λειτούργησε ακόμη και όταν τοποθετήθηκε ένας λεπτός τοίχος ανάμεσα στα πηνία.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η εγκατάσταση δεν απαιτεί καν άμεση οπτική επαφή μεταξύ του δέκτη και του πομπού. Ως πείραμα τοποθετήθηκαν χαρτόνια και φύλλα σιδήρου μεταξύ τους, αλλά αυτό δεν επηρέασε την παροχή ρεύματος.
Η πιο αποτελεσματική από τις συσκευές που δημιουργούνται από αυτή τη στιγμή αποτελείται από 60-εκατοστά χάλκινα πηνία και ένα μαγνητικό πεδίο με συχνότητα 10 megahertz. Σας επιτρέπει να μεταφέρετε ενέργεια σε απόσταση δύο μέτρων με απόδοση 50 τοις εκατό. Έρευνα διεξάγεται με ασημένια και άλλα υλικά για τη μείωση του μεγέθους των πηνίων και την αύξηση της απόδοσης. Η Soldacic ελπίζει να επιτύχει απόδοση εκπομπής 70-80%.

Οι φυσικοί από τη Μασαχουσέτη εξηγούν ότι η αρχή της εγκατάστασης βασίζεται στον μηχανισμό συντονισμού, δηλαδή ένα φαινόμενο που προκαλεί δονήσεις σε ένα αντικείμενο όταν εκτίθεται σε ενέργεια ορισμένης συχνότητας. Ωστόσο, όταν δύο αντικείμενα έχουν δείκτες ίσου συντονισμού, μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια και με κανένα τρόπο να μην επηρεάζουν τα γύρω αντικείμενα.

Στη φύση, υπάρχουν πολλά παραδείγματα απήχησης. Το πιο διάσημο παράδειγμα αντήχησης είναι όταν πολλά ίδια γυάλινα γυαλιά γεμίζουν με διαφορετικές ποσότητες νερού, αν κάθε γυαλί τραβηχτεί με ένα μεταλλικό κουτάλι, τότε κάθε γυαλί θα κάνει ένα μοναδικό ήχο.

Αντί για ακουστικό συντονισμό, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν την συχνότητα συντονισμού των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο WiTricity. Στην εγκατάσταση, και τα δύο πηνία συντονίζονται στην περιοχή συχνοτήτων των 10 MHz και ανταλλάσσουν ηλεκτρισμό και όσο μεγαλύτερη είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχείων, τόσο πιο ρεύμα φθάνει στον δέκτη. Επιπλέον, όσο χαμηλότερο είναι το εύρος συντονισμού, τόσο μεγαλύτερο μήκος εύρους κύματος επιτυγχάνεται και τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ του δέκτη και του πομπού.

Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι ότι αυτή η εγκατάσταση δεν βλάπτει την ανθρώπινη υγεία, καθώς λειτουργεί σε χαμηλές συχνότητες κυρίως στο μαγνητικό φάσμα.

"Όσο γνωρίζουμε, οι ανθρώπινοι οργανισμοί δεν αντιδρούν στις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις.Αν η συχνότητά σας ήταν αισθητή, για παράδειγμα στα 2 GHz, τότε θα έχετε το αποτέλεσμα ενός φούρνου μικροκυμάτων και αυτό θα ήταν εντελώς διαφορετικό αποτέλεσμα", λέει ένας από τους προγραμματιστές της εγκατάστασης Marine Soladzic.

Ορισμένες άλλες μέθοδοι επαναφόρτισης της ασύρματης μπαταρίας εξετάζονται επί του παρόντος. Οι εκκίνηση, όπως η Powercast, η Fulton Innovation και η WildCharge, έχουν αρχίσει να πωλούν προσαρμογείς που επιτρέπουν την ασύρματη χρέωση κινητών τηλεφώνων, MP3 players και άλλων συσκευών στο σπίτι ή στο αυτοκίνητο. Αλλά η προσέγγιση του Soljacic είναι διαφορετική, δεδομένου ότι επιτρέπει την αυτόματη φόρτιση των συσκευών μόλις πέσουν στο πεδίο δράσης ενός ασύρματου πομπού.
Το έργο του ομίλου Soljacic προσέλκυσε την προσοχή των εταιρειών κατασκευής ηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ, το οποίο ελπίζει να αποκτήσει ασύρματη τεχνολογία αυτόματης επαναφόρτισης της μπαταρίας. Ωστόσο, ο Soldjacic προτιμά να μην εξαπλωθεί για την πιθανή βιομηχανική εφαρμογή της τεχνολογίας του.
Υπάρχουν τόσες πολλές πιθανές εφαρμογές στον σημερινό κόσμο της μπαταρίας, όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία μας ", λέει." Είναι μια πολύ ισχυρή μέθοδος ".