Изолированная камера (комната) 5×5×2,3 м со стенами, полом и потолком с алюминиевым покрытием. 15 конденсаторов на центральной колонне завершают схему квазистатического резонатора
Прогресс в беспроводной передаче данных приучил человека к мысли, что при входе в квартиру смартфон сразу подключается к домашнему WiFi. Все устройства в доме по умолчанию выходят в интернет по WiFi через домашнюю точку доступа. Никаких проводов — красота. Проблема только в том, что электричество не передаётся точно таким же удобным способом, и каждое устройство всё равно приходится соединять проводом. От такой же проблемы страдает робототехника и медицина. Очень неудобно каждый раз подключать гаджеты к розетке.
Более 100 лет назад Никола Тесла показал, как передавать электричество на расстоянии, но инженеры до сих пор не сумели реализовать это изобретение в удобную технологию для практического применения с достаточно высоким КПД. Есть ещё одна проблема: неизвестно, как влияет на организм беспроводная передача электричества через тело в течение длительного периода времени, поэтому регулирующие органы во многих странах ввели строгие нормативные ограничения для этой технологии.
Из-за нормативных ограничений и потенциальных проблем с безопасностью инженерам приходится искать компромисс между расстоянием для беспроводной передачи энергии и максимальным количеством энергии, которую можно безопасно транслировать сквозь тело человека в жилых помещениях. Например, перенос энергии излучением (радиационный теплообмен) получил большое распространение в радиосвязи, но он безопасно переносит только несколько милливатт, чего недостаточно для зарядки обычных гаджетов.
Поэтому вместо переноса энергии излучением в бытовой электротехнике принято использовать нерадиационные методы переноса, такие как индукционная зарядка и резонансная зарядка. Там уже совершенно другие мощности: десятки или сотни ватт передаются с очень быстрым затуханием в пространстве на маленькие расстояния. Безопасность обеспечивается переводом энергии из потенциально опасного электрического поля в магнитное поле, с большими потерями и низким КПД. Но феномен связывания ближних полей очень ограничен по расстоянию. Эффективность передачи быстро падает, если расстояние от передатчика до приёмника энергии превышает диаметр катушки. Кроме того, невозможно нормально связать в одном поле катушки, сильно отличающиеся по диаметру.
Начиная с 2014 года группой физиков под руководством Мэтью Чабалко (Matthew J. Chabalko) проведён ряд удачных экспериментов по использованию стоячих электромагнитных волн в дальней зоне поля для генерации однородного электрического поля в металлической полости. Эти эксперименты позволяют преодолеть ограничения прежних технологий.
Для проверки этой теории Мэтью Чабалко и его коллеги из научно-исследовательского подразделения Disney Research разработали практический метод зарядке электрических приборов на расстоянии — метод называется Quasistatic Cavity Resonance (QSCR), то есть «квазистатический резонатор в полости». Это уже реальная технология, которую можно применять на практике, если разрешат регулирующие органы.
Суть в том, что стоячие электромагнитные волн в дальней зоне поля заполняют пространство резонансной структуры однородными магнитными полями, что позволяет использовать в этих зонах маленькие приёмники — такие, как в обычных бытовых приборах.
Для создания колебательного контура нужно пропускать резонансный ток по стенам, полу и потолку через специально спроектированные металлические структуры — например, алюминиевые металлические листы. В любом месте комнаты устанавливается устройство с конденсаторами, которое завершает схему колебательного контура (в эксперименте устанавливались 15 конденсаторов high-Q по 7,3 pF, которые обеспечивали резонанс на 1,32 МГц). В результате внутри комнаты образуются однородные магнитные поля. Концептуальная схема квазистатического резонатора в полости показана на иллюстрации.
Магнитные поля затухают от колонны к стенам с коэффициентом менее 1/p, что делает возможным использование во всей комнате приёмников энергии с катушками в тысячи раз меньше, чем размер резонатора QSCR.
Схема изолированной камеры (комнаты) и колебательного контура в эксперименте
Работа в такой замкнутой камере позволяет транслировать энергию из магнитного поля в электрическое поле с эффективностью в сотни раз выше, чем в открытом пространстве. Это означает, что можно передавать гораздо более высокие энергии без опасности для человеческого здоровья, с соблюдением ограничений, установленных регулирующими органами.
Эффективность беспроводной передачи QSCR
Фактически, если масштабировать камеру на размер комнаты, офиса или складского помещения, становится возможной эффективная беспроводная зарядка мобильных гаджетов, которые находятся внутри контура.
Электрические устройства, которые получают беспроводную энергию внутри комнаты во время эксперимента
Воздействие излучения на человека невелико даже рядом с конденсаторами на колонне. Симуляция показала, что при трансляции 1900 Вт воздействие на человеческое тело не превысит установленные нормы по удельному коэффициенту поглощения электромагнитной энергии на килограмм тела (SAR).
Удельный коэффициент поглощения. Примечание: в России SAR считается как коэффициент поглощаемой мощности не на грамм ткани, как в США и Европе, а на квадратный сантиметр
Эксперимент физиков из Disney Research был проведён в помещении объёмом 54 м3. В нём энергия передавалась на приёмник практически в любом месте комнаты с эффективностью от 40% до 95%.
Научная работа опубликована 15 февраля 2017 года в журнале PLOS One (doi: 10.1371/journal.pone.0169045).
Источник
