Беспроводные зарядные устройства: скоро ли они появятся?

Впоследние десятилетия человечество обзавелось множеством гаджетов, которые необходимо периодически подзаряжать. И вопрос, связанный с их зарядкой, остро стоит на повестке дня. К изучению проблемы беспроводной передачи энергии приложил руку еще великий Никола Тесла, но как теперь обстоят дела с этой технологией и какие проблемы встают на ее пути!

ВЕЛИКИЕ ИДЕИ, НЕ ВОПЛОТИВШИЕСЯ В ЖИЗНЬ

А нельзя ли совсем отказаться от зарядных устройств? Ведь беспроводная передача электричества на расстоянии известна с XIX века, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Однако чтобы не просто передавать энергию без проводов, а делать это эффективно, должно было пройти полторы сотни лет — этому трюку человечество научилось только в конце двадцатого века. Для подобной передачи используется тот же принцип, что и в трансформаторах, где энергия передается с одной катушки на другую благодаря электромагнитной индукции (то есть ток, текущий в одной из катушек, порождает ток в соседней, при том что механического контакта между ними нет). Отчего бы этот принцип не использовать для передачи энергии на большие расстояния?

Однако проблема в том, что по мере удаления от источника напряженность магнитного поля падает пропорционально квадрату расстояния — так что передавать энергию сколько-нибудь далеко с помощью индукции не представляется возможным. Но если речь идет о комнатных масштабах, задача выглядит вполне решаемой. Однако в этом случае также возникают проблемы: источник магнитного поля будет не только передавать энергию по назначению, но и создавать электрический ток в любых металлических предметах, находящихся в комнате. И не только в металлических — токи возникнут прямо в кровеносной системе человека, находящегося под действием переменного магнитного поля. Естественно, пока подобные побочные эффекты не устранены, о беспроводной передаче энергии можно и не мечтать.

Единственный способ, как избежать нежелательных токов, — с очень высокой точностью настроить приемник и передатчик энергии поля на одну частоту — о подобном некогда мечтал великий и экстравагантный Тесла. В 1893 году этот ученый продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами в проекте для Колумбовской всемирной выставки в Чикаго, а в 1894 году Тесла зажигает без проводов лампу накаливания с помощью «электродинамической индукции», то есть посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции.

Однако в его эпоху подобным идеям невозможно было найти практическое применение — создать резонансные системы требуемой точности не представлялось возможным.

Но то, что было фантастикой в начале XX века, в начале XXI стало реальностью.

СУПЕРКОВРИК ДЛЯ ПЫЛЕСОСА

Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) создала действующую технологию, которая позволяет передавать энергию посредством электромагнитной индукции. Медный кольцеобразный передатчик, подключенный к источнику тока, создает вокруг себя безопасное электромагнитное поле, пульсирующее в определенном ритме. Приемник (также сделанный из меди и в форме кольца) настроен на резонансную с ним частоту с очень высокой точностью. Такая точная настройка позволяет решить проблему с появлением в зоне действия беспроводной зарядки нежелательных токов — само по себе поле слабое, и лишь точное совпадение резонансных частот позволяет добиться передачи значительного количества энергии на приемник.

По мнению разработчиков данного изобретения, в будущем мобильные электронные устройства вообще лишатся проводов, поскольку будут получать не только данные, но и энергию сквозь воздух. Точно так же можно заряжать различную бытовую технику — пылесосы, беспроводные клавиатуры, «мыши» и тому подобное.

На сегодняшний день уже используются устройства, реализующие этот принцип. Например, коврик Powermat — достаточно популярное беспроводное устройство для зарядки гаджетов. Для зарядки мобильного телефона, электробритвы или чего-то подобного его достаточно положить на коврик — через час батареи будут заряжены. Однако заряжаемое устройство должно иметь специальный чип, а если чипа нет (а у стандартных гаджетов чипа всегда нет), то нужно докупить ресивер Powermat, оборудованный разъемами для различных приборов. Все преимущества устройства при этом теряются. Так что пока этот коврик — скорее экзотический сувенир для любителей технических диковин. Но в будущем вся мелкая аппаратура перейдет, скорее всего, на подобные способы зарядки.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Однако беспроводная передача энергии должна служить значительно более важной задаче, чем просто избавление от проводов, которые путаются под ногами. Революцией в технике стала бы возможность эффективной передачи энергии сквозь свободное пространство на большие расстояния. В таком случае наш мир изменился бы до неузнаваемости. Станет возможно поднимать в воздух самолеты с электродвигателями, источник энергии для которых находится на Земле, — таким образом, воздушное судно будет избавлено от цистерн топлива, что резко увеличит полезную нагрузку. Это значительно удешевит перевозки по воздуху — соответственно, воздушный флот потеснит поезда и грузовики.

Правда, перевозка грузов по воздуху требует повышенных затрат энергии. А между тем запасы угля, нефти и даже урана с торием сокращаются. Однако беспроводная передача энергии позволит решить и эту проблему!

Ведь существует Солнце — совершенно бесплатный источник, рассеивающий энергию направо и налево. Однако на Земле гелиоэнергетика имеет ограниченные перспективы — где бы ни построить солнечную электростанцию, есть как минимум одна проблема — ночь, а еще облака, пыль и прочие неудобства.

Но можно ведь перенести электростанции в космос, где Солнце светит круглые сутки! Для этого достаточно «подвесить» гелиоэлектростанции на геостационарную орбиту и передавать с них энергию на Землю. Создание подобных космических электростанций предложили еще в 60-х годах XX века — американский ученый Петер Глейзер даже запатентовал подобную идею. Ведь в те годы казалось, что воплощение в жизнь подобного проекта — дело ближайшего будущего. Но срок действия патента давно истек, а технических возможностей для реализации подобной идеи по-прежнему нет.

ЖГУЧИЙ ЛУЧ ИЗ КОСМОСА

Все же работы в этом направлении ведутся. Например, в 2009 году шестнадцать японских компаний, включая такого гиганта, как Mitsubishi, подписали соглашение о создании к 2030 году космической электростанции мощностью 1 ГВт.

Основной сложностью в работе космических электростанций остается передача выработанной энергии на Землю — ведь на орбиту кабель не протянешь.

Причем передача энергии должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в практических целях. Как известно, человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию на расстоянии при помощи радиоволн. Однако КПД такой передачи ничтожно мал, так как радиоволны рассеиваются в пространстве. Энергия радиоволн способна нести информацию на миллионы километров, но при этом очень сложно зажечь обыкновенную лампу накаливания на расстоянии метра от антенны.

Исследования последних лет показали, что для переноса энергии возможно использовать радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Такие волны могут быть сфокусированы в сравнительно узкий «луч», почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и вдобавок эффективно преобразуются в электричество.

Однако для точной передачи СВЧ-излучения понадобятся антенны гигантских размеров. Подсчитано, что для эффективной передачи с геостационарной орбиты энергии придется строить в космосе передатчик диаметром в 1 километр и приемник на Земле диаметром в 10 километров! Легко догадаться, что выгоднее в таком случае построить обычную, некосмическую, электростанцию… Та же проблема с размерами антенн делает малореальной питание самолетов энергией с Земли.

Тогда, может быть, вместо радиоволн использовать свет (те же радиоволны, но очень высокой частоты)? Однако обычный луч света невозможно сфокусировать с достаточной точностью.

Другое дело лазер, который идеально подходит для передачи энергии на расстояние: он дает почти не расходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и его преобразование в электричество. Однако эта технология явно небезопасна. Можно представить себе бьющий из космоса лазерный луч, выжигающий все, на что он упадет. От геостационарной орбиты до Земли — 36 тысяч километров, и даже лазерный луч, пройдя такое расстояние, будет уже диаметром в пару сотен метров. Однако и в этом случае греть он будет как печь. Так что не позавидуешь тем, кто попадет под удар этого луча при малейшей ошибке в ориентации космической электростанции.

Однако даже если решить проблемы безопасности, то непреодолимым препятствием остается то, что лазер не может эффективно передавать энергию.

Так что на сегодняшний день революционных изменений, связанных с беспроводной передачей энергии, ждать не стоит. Но исследования в этой области ведутся, и кто знает, что день грядущий нам готовит.