Siła bez kabla


Zalotne sprzężenia

Siła bez kabla

Po szczoteczce do zębów drugim atrykułem zasilanym bezprzewodowo okazało się drzewko bożonarodzeniowe.

Na horyzoncie pojawiła się następna technologia. Jej autorami są naukowcy pracujący od kilku lat w MIT pod kierownictwem profesora Marina Soljacica. W lipcu 2007 roku zademonstrowano działający prototyp. Zasilał on 60-watową żarówkę z odległości dwóch metrów.

Z nową technologią związana jest anegdota. Podobno Soljacic miał dość budzenia się w środku nocy na sygnał rozładowującej się komórki. "Mniej więcej sześć razy w miesiącu byłem budzony przez mój telefon komórkowy, który głośno dawał znać, że zapomniałem podłączyć go do ładowarki. Pomyślałem sobie, że byłoby świetnie, gdyby to skądinąd inteligentne urządzenie samo zadbało o poziom naładowania swoich baterii".

Rozwiązanie nadal wykorzystuje transmisję elektromagnetyczną, ale nieco zmodyfikowaną. Do poprzednich efektów w MIT dodano następny, zwany rezonansem sprzężonym. Samo zjawisko jest podobne do objaśnianego w szkole wzmocnienia oddziaływania różnych fal oscylujących z tą samą częstotliwością i fazą. Kiedy częstotliwość przestanie być jednakowa, efekt wzmocnienia zaniknie.

Rezonans sprzężony stosują nawet dzieci na huśtawce, kiedy synchronizują ruchy swego ciała z wychyleniami sprzętu, unosząc się coraz wyżej. Rezonans daje znać o sobie, kiedy wyśpiewanie odpowiedniej nuty może spowodować pęknięcie szklanki, ale najczęściej tylko jednej. Takie dopasowanie częstotliwości nazwane jest silnym wiązaniem i stwarza wyjątkowo korzystne warunki do przekazania energii.

Na powyższej zasadzie opiera się efekt wykorzystany przez zespół z MIT w technologii zasilania bezprzewodowego. Okazało się, że dwa mocno związane rezonansowo pola magnetyczne mogą być wykorzystane do transferu energii na odległość znacznie przekraczającą wymiary samych urządzeń, co do tej pory było największym ograniczeniem metody indukcyjnej. Wystarczy wykorzystać pola o stosunkowo niewielkiej energii, które nie wpływają na inne obiekty znajdujące się w pobliżu. Z tego powodu zagrożenie szkodliwym napromieniowaniem jest dużo mniejsze niż w wypadku technologii RF. "Fakt, że pola magnetyczne mają tak niewielki wpływ na organizmy żywe, jest bardzo istotny dla zapewnienia bezpieczeństwa", wyjaśnia Andre Kurs, następny członek zespołu z MIT. W omawianym systemie źródło energii emituje pole magnetyczne drgające w tempie kilku megaherców, któremu nie towarzyszą silniejsze fale radiowe. Odbiornik jest zaprojektowany do przyjmowania drgań o tej samej częstotliwości i jeśli znajduje się wystarczająco blisko, może pobierać duże dawki energii. Inne urządzenia elektroniczne znajdujące się w pobliżu, podobnie jak istoty żywe, nie zostaną napromieniowane. Większość mocy nieprzyjętej przez odbiornik raczej zostanie w nadajniku, niż będzie wyemitowana do otoczenia, jak w technologiach RF. "Nadajnik marnuje część energię tylko wtedy, kiedy odbiornik jest aktywny", komentuje profesor Pendry.

Zasięg pokojowy

Zespół wynalazców z MIT twierdzi, że urządzenie o wymiarach laptopa będzie mogło przekazywać moc wystarczającą do zasilania bez przewodów odbiornika znajdującego się w tym samym pokoju albo ładującego swoje akumulatory bez żadnych kabli tuż obok nadajnika. "Do pracy w tym samym pomieszczeniu nie będzie potrzebna żadna bateria", wyjaśnia Kurs. Teoretycznie wyposażenie salonu w bezprzewodowe źródło mocy powinno wystarczyć do zasilania znajdujących się tam wielu małych urządzeń, takich jak piloty czy telefony. Obietnice brzmią pociągająco, ale są też głosy krytyczne. Demonstracje w środowisku laboratoryjnym są imponujące, ale tuszują słabości. Na przykład transmisja mocy 50 W na odległość trzech metrów odbywa się ze sprawnością tylko 40 procent. Pozostałe 60 procent zamienia się w ciepło i może stanowić problem dla środowiska.

"Pokazy wypadają bombowo, ale w czasach, kiedy narastają problemy z nadmiarem ciepła, technologia nie zyska uznania ekologów", argumentuje firma Splashpower, autorka konkurencyjnej metody. Rzeczywiście, spadek sprawności wraz z powiększaniem się odległości jest największą słabością nowego rozwiązania. "Trudno sobie wyobrazić, żeby można było bezpiecznie przekazywać w ten sposób moc większą od kilkuset watów, także opowieści o spawarce zasilanej bezprzewodowo można między bajki włożyć", wyjaśnia profesor Pendry. Niemniej jednak pomysł wykorzystania rezonatorów połączonych silnym sprzężeniem czyni transmisję bardziej wydajną od tej, która odbywa się za pomocą zwykłej indukcji magnetycznej. Z tego powodu można spodziewać się coraz szerszej oferty urządzeń zasilanych bezprzewodowo na krótkie dystanse. Między innymi technologia oferowana przez firmę Fulton Innovation, zwana eCoupled (www.ecoupled.com), oferuje usprawnienie polegające na aktywnym poszukiwaniu częstotliwości rezonansowej między nadajnikiem i odbiornikiem, które optymalizuje sprawność przekazywana energii.

Atrakcje

Jak wspomnieliśmy, kilka w pełni sprawnych systemów do bezprzewodowej transmisji zasilania pokazano w styczniu tego roku na targach CES. Prototyp opracowany przez Splashpower składa się ze stacji bazowej podłączanej do gniazdka elektrycznego i specjalnych modułów zasilających do różnych urządzeń (m.in. telefonów komórkowych i odtwarzaczy MP3). Ładowanie rozpoczyna się w momencie umieszczenia modułu wraz z urządzeniem na stacji bazowej. Prawdziwym celem jest wbudowanie tych modułów w urządzenia. Technologia firmy ma bardzo ograniczony zasięg. W istocie rzeczy ładowarka i odbiornik powinny się wirtualnie dotykać, jak w bezprzewodowych, elektrycznych szczoteczkach do zębów. Wraz ze wzrostem odległości od ładowarki pole gwałtownie traci swoją moc. Jednak ma to również korzystne skutki, przede wszystkim dla bezpieczeństwa - zmniejsza prawdopodobieństwo szkodliwych interferencji z jakimś wyjątkowo czułym aparatem, przypadkowo leżącym obok ładowarki, a także jest praktyczne nieszkodliwe dla zdrowia.

Demonstrowana była ponadto technologia eCoupled z Fulton Innovation. Z grubsza działa podobnie do poprzedniej - jest tu stacja bazowa, są interfejsy do każdego urządzenia. Firma opracowała również stację bazową do wbudowania w blat biurka. Dzięki temu każdy leżący na nim sprzęt może być bezprzewodowo zasilany. Scott Mollema, szef naukowców z Fulton Innovation, demonstrował transfer 38 W z blatu wielkości laptopa, które powinny wystarczyć do naładowania urządzeń mobilnych, oraz 1,4 kW, co powinno zaspokoić potrzeby wielu urządzeń domowych. Technologia eCoupled pozwala nadajnikowi dynamiczne zmieniać parametry emitowanego pola, żeby dostosować je do napięciowych i prądowych wymagań wykrytych odbiorników. Chociaż prototypy funkcjonowały już na targach na początku roku 2008 roku, nie spodziewamy się wejścia tego systemu na rynek przed rokiem następnym.

Silne MIMO

Siła bez kabla

Innym producentem demonstrującym gotowe zasilacze w Las Vegas był Powercast. W odróżnieniu od Splashpower i eCoupled, do transmisji mocy wykorzystują one RF. Firma utrzymuje, że opatentowany kształt obwodów odbiornika umożliwia przejmowanie aż 70 procent teoretycznie maksymalnej mocy wysyłanej przez nadajnik, czyli znacznie więcej niż dotąd obiecywaliśmy sobie po technologii RF. Udało się to uzyskać dzięki specjalnemu systemowi, podobnemu do MIMO w Wi-Fi. Odbierane są nie tylko sygnały bezpośrednie, ale także ich refleksy, i dodawane w taki sposób, żeby wzmocnić moc transmisji. W ten sposób zasilano latarkę odległą o ponad metr od nadajnika.

Technologia uzyskała już homologację wydaną w Stanach Zjednoczonych przez Federal Communications Commission. Uznano, że promieniowanie nie przekracza poziomu EMF uznanego za szkodliwy. Aktualne możliwości Powercast nie są wielkie, na przykład maksymalna moc transmitowanej energii nie przekracza dziesiątej części zapotrzebowania laptopa, niemniej jednak wiele firm widzi sens brania udziału w jej rozwijaniu. W programie udoskonalania technologii bierze udział ponad sto firm i mimo niewielkiej mocy już otwierają się możliwości jej wykorzystania, np. do bezprzewodowego zasilania rozruszników serca. Do tej pory wymiana wyczerpanej baterii wymagała leżenia na stole operacyjnym, teraz będzie można obejść się bez przykrego zabiegu. Na razie pierwszym sprzedawanym urządzeniem wykorzystującym technologię Powercast okazało się bezprzewodowe oświetlenie bożonarodzeniowej choinki (www.frontgate.com , produkt numer 33304).

Przyszłość bezkablowa?

Gdyby brać pod uwagę liczbę różnych urządzeń do bezprzewodowego zasilania, prezentowanych na targach w Las Vegas i innych pokazach, możnaby uznać, że ta technologia jest już gotowa do upowszechnienia. Przynajmniej takie przypuszczenia snują producenci. Według Splashpower, w ciągu najbliższej pięciolatki co trzecia komórka będzie mogła naładować swoją baterię bez kabli. Niemniej jednak do rozwiązania pozostało wiele problemów i trudno przewidzieć, w jakim tempie będą pokonywane. Równe dobrze zasilanie bezprzewodowe może stać się ikoną przyszłości albo skończyć marnie, jak pamięć bąbelkowa albo eksplozja dotcomów.

Zasilanie bez kabli napotyka różne problemy, zależnie od zasięgu. Transmisja mocy na większą odległość, jaką pokazywali naukowcy z MIT, może nigdy nie sprawdzić się w wypadku komercyjnego produktu, dopóki nie rozwiążemy problemu sprawności. W wypadku bliskiego zasięgu są już prototypy, sprawują się dobrze i w przyszłym roku można się spodziewać premier w sklepach. Nadmierna popularność Wi-Fi i Bluetooth, zamieniających czasem rozwiązania przewodowe bez korzyści, a nawet ze stratą, pokazuje, jak wielkie, nawet irracjonalne jest zapotrzebowanie na zerwanie z kablami. Po stu latach od czasów Tesli zasilanie bezprzewodowe pojawia się na horyzoncie.