Energia elektryczna bez przewodów. W stronę nowego świata bezprzewodowej energii elektrycznej

Pod koniec XIX wieku odkrycie, że elektryczność może być wykorzystana do rozświetlenia żarówki, spowodowała eksplozję badań mających na celu znalezienie najlepszego sposobu przesyłania elektryczności.

Na czele wyścigu był znany fizyk i wynalazca Nikola Tesla, który opracował wspaniały projekt. Nie mogąc uwierzyć w rzeczywistość stworzenia kolosalnej sieci przewodów obejmujących wszystkie miasta, ulice, budynki i pokoje, Tesla doszedł do wniosku, że jedyną możliwą metodą transmisji jest komunikacja bezprzewodowa. Zaprojektował wieżę o wysokości około 57 metrów, która miała przekazywać energię na wiele kilometrów, a nawet zaczął ją budować na Long Island. Przeprowadzono serię eksperymentów, ale brak pieniędzy nie pozwolił na ukończenie wieży. Pomysł przesyłania energii drogą powietrzną został rozproszony, gdy tylko okazało się, że przemysł jest w stanie opracować i wdrożyć infrastrukturę przewodową.

A teraz, kilka lat temu, profesor nadzwyczajny Wydziału Fizyki Massachusetts Institute of Technology (MIT), Marin Soljačić, obudził się ze słodkiego snu przez natarczywe wołanie telefonu komórkowego. „Telefon się nie zatrzymywał, wymagając ode mnie ładowania”, mówi Soljacic. Zmęczony i nie chcąc wstać, zaczął śnić, że telefon, będąc w domu, zaczyna ładować się sam.
Soljacic rozpoczął badania nad sposobami przesyłania energii bez przewodów. Porzucił projekty transmisji energii dalekiego zasięgu, takie jak projekt Tesla, i skupił się na metodach transmisji energii krótkiego zasięgu, które umożliwiłyby ładowanie, a nawet włączanie urządzeń przenośnych - telefonów komórkowych, palmtopów, laptopów.
Początkowo rozważał możliwość wykorzystania fal radiowych, które tak skutecznie przekazują informacje na odległość, ale stwierdził, że w tym przypadku większość energii zostanie rozproszona w kosmosie. Zastosowanie lasera wymagało, aby źródło energii i urządzenie do ładowania znajdowały się w polu widzenia, bez żadnych przeszkód między nimi. Ponadto metoda ta była obarczona uszkodzeniem przedmiotów złapanych w linię transmisyjną. Dlatego Soljacic zaczął szukać metody przesyłania, która byłaby zarówno skuteczna, to znaczy zdolna do przesyłania energii bez rozpraszania jej, i bezpieczna.
W końcu zdecydował się na zjawisko sprzężenia rezonansowego, gdy dwa obiekty dostrojone do tej samej częstotliwości intensywnie wymieniają się energią, a jedynie słabo oddziałują z innymi obiektami. Klasyczną ilustracją tego efektu jest doświadczenie z kilkoma szklankami wypełnionymi winem, każdy na innym poziomie niż reszta. W rezultacie dla każdej szyby występuje wyjątkowa częstotliwość dźwięku, który powoduje wibracje. Jeśli piosenkarz zanotuje odpowiednią częstotliwość, jedna ze szklanek może otrzymać taką dawkę energii akustycznej, że rozpadnie się, a pozostałe szklanki pozostaną nienaruszone.
Soljacic zdał sobie sprawę, że rezonans magnetyczny jest obiecującym sposobem przesyłania elektryczności. Pole magnetyczne rozprzestrzenia się swobodnie w przestrzeni i przy odpowiednich częstotliwościach jest nieszkodliwe dla żywych istot. Współpracując z profesorami fizyki MIT Johnem Joannopoulosem i Peterem Fishem oraz trzema studentami, opracował proste urządzenie, które bezprzewodowo zapala 60-watową żarówkę.
Urządzenie składało się z dwóch miedzianych cewek dostrajanych rezonansowo, zawieszonych pod sufitem w odległości około dwóch metrów. Jedna cewka została podłączona do źródła prądu przemiennego i wytworzyła pole magnetyczne. Druga cewka dostrojona do tej samej częstotliwości i podłączona do żarówki, rezonując w polu magnetycznym, generowała prąd zapalający żarówkę. Urządzenie działało nawet wtedy, gdy cienką ściankę umieszczono między cewkami.

Warto zauważyć, że instalacja nie wymaga nawet bezpośredniej linii wzroku między odbiornikiem a nadajnikiem. W ramach eksperymentu między nimi umieszczono kartony i blachy żelazne, ale nie wpłynęło to na podaż prądu.
Najskuteczniejsze z urządzeń tworzonych przez ten moment składają się z 60-centymetrowych cewek miedzianych i pola magnetycznego o częstotliwości 10 megaherców. Umożliwia przesyłanie energii na odległość dwóch metrów z 50-procentową wydajnością. Prowadzone są badania ze srebrem i innymi materiałami w celu zmniejszenia wielkości cewek i zwiększenia wydajności. Soldacic ma nadzieję na osiągnięcie 70-80 procent wydajności transmisji.

Fizycy z Massachusetts wyjaśniają, że zasada instalacji opiera się na mechanizmie rezonansowym, czyli zjawisku powodującym wibracje w obiekcie, gdy jest on poddany działaniu energii o określonej częstotliwości. Jednak gdy dwa obiekty mają równe wskaźniki rezonansu, mogą one wymieniać energię i w żaden sposób nie wpływać na otaczające obiekty.

W naturze istnieje wiele przykładów rezonansu. Najbardziej znanym przykładem rezonansu jest to, że kilka identycznych szklanych szklanek jest wypełnionych różnymi ilościami wody, jeśli każda szklanka zostanie stuknięta metalową łyżką, wówczas każda szklanka wyda niepowtarzalny dźwięk.

Zamiast rezonansu akustycznego fizycy zastosowali rezonans częstotliwości fal elektromagnetycznych w WiTricity. W instalacji obie cewki rezonują w zakresie częstotliwości 10 MHz i wymieniają energię elektryczną, a im dłuższa interakcja między elementami, tym więcej prądu dociera do odbiornika. Co więcej, im niższy zakres rezonansu, tym w rezultacie uzyskany jest większy zakres długości fali i tym większa może być odległość między odbiornikiem a nadajnikiem.

Innym ważnym czynnikiem jest to, że ta konfiguracja nie szkodzi zdrowiu ludzkiemu, ponieważ działa na niskich częstotliwościach, głównie w spektrum magnetycznym.

„O ile wiemy, organizmy ludzkie nie reagują na interakcje magnetyczne. Gdyby Twoja częstotliwość była zauważalna, na przykład 2 GHz, to uzyskałbyś efekt kuchenki mikrofalowej i byłby to zupełnie inny efekt”, mówi jeden z twórców instalacji, Marine Soladzic.

Obecnie badanych jest wiele innych sposobów bezprzewodowego ładowania akumulatorów. Startupy takie jak Powercast, Fulton Innovation i WildCharge zaczęły sprzedawać adaptery, które umożliwiają bezprzewodowe ładowanie telefonów komórkowych, odtwarzaczy MP3 i innych urządzeń w domu lub w samochodzie. Ale podejście Soljacic jest inne, ponieważ pozwala na automatyczne ładowanie urządzeń, gdy tylko wpadną one w pole działania nadajnika bezprzewodowego.
Prace grupy Soljacic przyciągnęły uwagę firm produkujących urządzenia elektroniczne, a także przemysłu motoryzacyjnego. Badania zostały sfinansowane przez Departament Obrony USA, który miał nadzieję uzyskać bezprzewodową technologię automatycznego ładowania akumulatorów. Soldjacic woli jednak nie rozpowszechniać informacji o możliwym zastosowaniu przemysłowym swojej technologii.
„Jest tak wiele potencjalnych zastosowań w dzisiejszym świecie zasilanym bateryjnie, w którym można zastosować naszą technologię” - mówi. „To bardzo skuteczna metoda”.