Освобожденное электричество: Питание

Беспроводная передача электричества на расстоянии известна с тех пор, как в 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. На этом принципе работает множество приборов, однако массово использовать его в быту именно для передачи энергии без проводов человечество начало только в конце двадцатого века. А сегодня мы стоим на пороге серьезного прорыва, который сделает нас еще немного свободнее.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Экспериментируя с магнитами, Фарадей ставил перед собой конкретную цель: добыть электричество с помощью магнетизма. Ученый воспринимал магниты как источник электроэнергии — и его опыты увенчались успехом 29 августа 1831 года, по крайней мере если верить дате, указанной в дневнике. Фарадей доказал, что при изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и лежит сегодня в основе большинства способов беспроводной передачи электроэнергии.

Магнитное поле

На данный момент существует несколько стандартов, которые уже действуют и позволяют производителям выпускать готовые решения. Существует множество конкурирующих объединений, каждое из которых предлагает свой стандарт беспроводной передачи электричества. Три крупнейших из них — это WPC, PMA и A4WP.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

WPC (Wireless Power Consortium, «Консорциум беспроводной энергии») пропагандирует стандарт Qi («чи», или «ци» — жизненная сила в китайской философии). Технология весьма проста — «передатчик» генерирует переменное магнитное поле, а «приемник» в мобильном устройстве превращает его в электрический ток. Консорциум был основан в 2008 году в Гонконге, спустя полтора года опубликовал первые технические спецификации и требования стандарта, а сейчас в него входят 109 крупнейших мировых компаний в области энергетики, производства компактных устройств, батарей, микропроцессоров — от Energizer и Denso Corporation до Nokia и Sony. Уже сегодня зарядные станции WPC установлены более чем в сотне популярных общественных мест Японии; любое устройство, оснащенное модулем, поддерживающим этот стандарт, может заряжаться везде, где есть станция, обозначенная специальным значком.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Qi позволяет заряжать только гаджеты, которым не требуется мощность более 5Вт. Однако WPC уже разрабатывает среднемощные передатчики (до 120 Вт); развитие этого направления позволит питать без проводов и ноутбуки, и современные телевизоры с большой диагональю, и прочие бытовые приборы.

Второй крупный игрок на этом рынке — Power Matters Alliance, созданный в рамках одной из программ Международного института инженеров электротехники и электроники (IEEE Standards Association Industry Connections Program). PMA объединил в своих рядах крупные компании, которые занимаются (в числе прочего) разработкой нового стандарта беспроводной передачи электроэнергии. Уже сейчас есть результаты, которые позволяют PMA на равных конкурировать с WPC — тем более что играют они на одном поле, используя один и тот же принцип. Powermat и Procter&Gamble, входящие в PMA, в сентябре 2011 года объединились и создали компанию Duracell Powermat. Ауже в феврале 2012 года было представлено готовое решение — устройство Wireless Charging Card (WiCC), похожее на обычную SD-карту. Собственно, это и есть карта памяти со встроенной технологией NFC, превращающая любой подходящий гаджет в беспроводной. В ней шесть контактов: два для питания, два для передачи данных и два для NFC. Подобное устройство, достаточно тонкое и легкое, можно при минимальном содействии производителей адаптировать к уже выведенным на рынок продуктам, лишь немного скорректировав размер и форму батареи.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Программа действий у Powermat та же, что и у WPC: выход на аэропорты (компания Arconas), арены и стадионы (компания Madison Square Garden), университеты (Bretford). Duracell Powermat появился не так давно, однако быстро развивается, и уже в начале лета 2012 года начнутся продажи готовых продуктов — зарядных ковриков. Вскоре появятся автомобили от General Motors — еще одного члена PMA, — оснащенные беспроводными зарядными устройствами для гаджетов. Магазины будут продавать офисную мебель с встроенными продуктами Powermat от компании Teknion.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Наконец, буквально в мае компании Samsung и Qualcomm основали третий альянс Alliance for Wireless Power (A4WP). Представители A4WP пока «отделываются» только громкими, хотя и уклончивыми заявлениями, но авторитет и репутация Samsung и Qualcomm позволяют верить в то, что реализация их технологий не за горами.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

С помощью света

Электромагнитная индукция не единственный метод передачи энергии на расстоянии, существуют и другие способы. В 2009 году в конкурсе NASA по беспроводной передаче энергии победила технологическая группа, использовавшая 500-ваттный лазерный луч. КПД передачи на 1 км составлял около 10%. Экономным такой метод не назовешь, и это при том, что у технологии есть целый ряд ограничений, начиная от громоздкости и сложности оборудования и заканчивая тем фактом, что приемник должен находиться в зоне прямой видимости передатчика.

Тем не менее эта технология дает возможность гарантированно передавать энергию на достаточно большие расстояния, причем адресно — от точки до точки. Легко представить ситуации, когда проще не тянуть провода на сотни метров в неблагоприятных условиях, а просто установить передатчик и приемник и отправлять энергию напрямую. Перед этой технологией открываются перспективы в космической области (именно поэтому ею и интересуется NASA).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

А компания PowerBeam уже сегодня готова осуществить беспроводное освещение квартир, зарядку телефонов и крупных бытовых приборов. Их методика основана на инфракрасном лазерном луче, переносящем электроэнергию от передатчика к приемнику. PowerBeam предлагает три варианта решения — передача 100 мВт (наушники, игровые контроллеры, датчики дыма), 2,5 Вт (смартфоны, КПК, нетбуки, беспроводные колонки) и 10 Вт (ноутбуки, LED-телевизоры, цифровые фоторамки). Технология позволяет питать устройства на расстоянии до 30 м. В случае, если на пути луча встанет человек или животное, обратная связь (менее мощный луч от приемника к передатчику) автоматически выключит питание.

По звуку

В июне 2011 года две студентки Пенсильванского университета — Мередит Перри и Нора Дуэк — продемонстрировали на технической конференции D9, проводимой The Wall Street Journal, способ передачи электричества с помощью ультразвука. Пока что результаты не слишком впечатляют: им удалось передать полезную мощность всего в 0,25 Вт на расстояние чуть меньше одного метра. Кроме того, эта энергия «транслируется» не адресно, а широким лучом, и во время презентации авторы указали, что лучшим местом для установки передатчика будет потолок комнаты. Тем не менее этот способ имеет интересные перспективы. Он безопасен для человека и может использоваться в тех случаях, когда другие способы невозможны — например, в жидких проводящих средах, скажем, для питания различных датчиков на дне акватории или имплантатов в человеческом организме.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В данный момент технология уже получила название — uBeam, создана одноименная компания и проводятся исследования, причем некоторые источники (в том числе журнал Forbes и руководство агентства DARPA) cчитают их многообещающими. Предполагается, что в ближайшее время будет достигнута мощность передачи в 25 Вт.

Микроволны

Применение сверхвысоких частот для передачи электроэнергии — это относительно несложно. Любой обладатель микроволновой печи может (с риском для прибора и пробок) положить в камеру металлический предмет — например, простую стальную вилку — и увидеть, как будут искрить зубцы. Но применять этот эффект можно не только для опасных фокусов, но и на благо всего человечества: в данный момент разрабатывается несколько глобальных проектов, в которых предполагается развертывание в космосе станций, аккумулирующих солнечную энергию и передающих ее на Землю в виде узкого пучка микроволн.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Подобный принцип неоднократно демонстрировался в лаборатории. Известен опыт американского физика Уильяма Брауна, который в 1976 году передал СВЧ-пучком энергию мощностью 30 кВт на расстояние более 1,5 км. В качестве приемника при таком методе применяется так называемая ректенна (rectifying antenna, выпрямляющая антенна), способная преобразовывать энергию улавливаемой волны в электроэнергию (сегодня ректенны используются, например, для радиочастотной идентификации, RFID). Но есть у данного метода недостатки. Например, чтобы передать с орбиты 5 ГВт, придется построить наверху передающую антенну диаметром в 1 км, а на Земле — 10-километровый приемник.

Что же лучше?

Самая реалистичная из всех технологий — электромагнитная индукция. Однако ее широкое распространение пока сдерживается определенными факторами — в частности, небольшими расстояниями (до 4−5 см между катушками передатчика и приемника) и мощностями. Ведутся эксперименты по масштабированию технологии, однако тут уже начинают возникать вопросы безопасности для здоровья.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Технологии передачи электричества с помощью инфракрасного лазера и ультразвука, скорее всего, будут развиваться и наверняка найдут свои узкие ниши — вполне возможно, даже в быту. Орбитальные спутники с огромными солнечными батареями потребуют другого подхода — там уже будет иметь значение возможность прицельной передачи электроэнергии, а значит, в дело вступят СВЧ или лазер. Идеального решения пока не существует, но есть много вариантов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.