Siła bez kabla

Jak można przekazywać moc bez kabli i kiedy ostatecznie uwolnimy pecety i gadżety od przewodów nie tylko do transmisji danych, ale i dostarczania energii?


Jak można przekazywać moc bez kabli i kiedy ostatecznie uwolnimy pecety i gadżety od przewodów nie tylko do transmisji danych, ale i dostarczania energii?

To oczywiste, że każde przewody zawadzają. Ciągną się po blacie biurka i tworząc pajęczynę na podłodze, stają się pułapką na nieuważnych. Nawet jeśli wykorzystasz dzisiejsze możliwości Bluetooth czy Wi-Fi i pozbędziesz się przewodowej transmisji danych, drugi rodzaj połączenia kablowego zawsze zostaje. To linie zasilające. Baterie mogą uwolnić od przewodów najwyżej na kilka godzin, ale w końcu każde urządzenie elektroniczne trzeba podłączyć do gniazdka w ścianie i uzupełnić zużytą energię.

Pomysł z brodą

Czy rzeczywiście trzeba? W istocie rzeczy transmisja danych także nie obywa się bez przekazania energii. Gdyby przesłać jej wystarczającą ilość, może udałoby się zaspokoić zapotrzebowanie na waty jakiegoś niewielkiego urządzenia i zmusić je do pracy. Ten efekt nie byłby premierą. Bezprzewodową transmisję mocy po raz pierwszy zademonstrował Nikola Tesla jeszcze w dziewiętnastym wieku. Czyżby od tamtego czasu technologia nie posunęła się naprzód?

Wiele wskazuje, że ten rok może stać się przełomowy i zasilanie bezprzewodowe wyjdzie ze stanu długoletnich badań laboratoryjnych, by spróbować swoich możliwości w praktyce. Dzisiaj już jajogłowi z MIT demonstrują transmisję bez przewodów mocy wystarczającej do zasilania sześćdziesięciowatowej żarówki w dowolnym miejscu pokoju. W styczniu 2008 roku na Consumer Electronics Show (CES) w Las Vegas dziennikarze odnotowali cztery firmy demonstrujące zasilanie na odległość.

Wobec tak bliskiej perspektywy wprowadzenia najbardziej oswobadzającej technologii 21. wieku warto poznać zasadę zasilania bezprzewodowego i zrozumieć problemy powodujące aż tak długie oczekiwanie na jego wprowadzenie. Wyjaśnimy, jakie technologie stoją za radiową transmisją mocy, opiszemy, czym dzisiaj dysponują i jaką mają przyszłość.

Życie bez potknięć

Biorąc pod uwagę, jak bardzo bezprzewodowa transmisja mocy może zwiększyć nasz komfort życia, można się zdziwić, dlaczego czekamy na nią tak długo. Potencjał polega nie tylko na uwolnieniu telefonu komórkowego czy odtwarzacza MP3 od przewodów, ale także na zastąpieniu coraz większej gromady rozmaitych zasilaczy jednym urządzeniem, obsługującym równocześnie wiele odbiorników. Jakkolwiek współczesne konstrukcje zasilaczy radiowych wymagają dodatkowych adapterów, bez problemu można je skonstruować. Jeśli doczekamy się ich standaryzacji i powszechnego stosowania, możemy się spodziewać, że obejmą zasięgiem większe obszary, od kawiarenek internetowych po kampusy uniwersyteckie, podobnie jak punkty dostępowe do transmisji danych.

Także w mniejszej skali korzyści z bezprzewodowego zasilania wykraczają poza zwykłe usunięcie zaplątanych kabli z naszych biurek. Urządzenia pozbawione portów i gniazdek zewnętrznych łatwiej uczynić kurzo- i wodoodpornymi. Powinny być także mniej zawodne, bo styki, których nie ma, nie będą korodować ani wycierać się od tarcia. Te cechy zadecydowały o wyborze pierwszego urządzenia konsumenckiego zasilanego w nowy sposób. Została nim szczoteczka do zębów, i to na wiele lat przedtem, nim upowszechniły się dzisiejsze gadżety użytkowej elektroniki.

Dla jednych określenie "bezprzewodowa transmisja mocy" brzmi jak rewelacyjna idea, ale są też osoby dostrzegające jej mniej korzystne strony. "Biorąc pod uwagę, ilu użytkowników obawia się mikroskopowych mocy emitowanych przez telefony komórkowe, możemy się spodziewać co najmniej takich samych obiekcji, kiedy w eter zostaną wypuszczone znacznie poważniejsze dawki energii, niezależnie od tego, czy będą stanowić rzeczywiste, czy tylko wydumane zagrożenia dla zdrowia", prorokuje sir John Hendry, profesor z Imperial College. Na szczęście bezprzewodowa transmisja mocy nie wykorzystuje jednej technologii - Przeciwnie, mamy kilka możliwości rywalizujących o uwagę producentów i różnie rozwiązujących kwestie bezpieczeństwa.

Magnesem i prądem

W zasadzie znamy dwie konkurujące metody dostarczania mocy bez przewodów: przez częstotliwości radiowe albo dzięki indukcji magnetycznej. W istocie rzeczy w obu wykorzystuje się zasadę indukcji, ale w nieco inny sposób. Główna różnica między tymi dwiema metodami tkwi w częstotliwości oscylacji pola wykorzystywanego do wytwarzania indukcji, samej intensywności pola oraz proporcji składników magnetycznego i elektrycznego.

W metodzie RF energię transmituje się za pomocą oscylacji promieniowania elektromagnetycznego w wysokiej częstotliwości. Antena w odbiorniku fal radiowych jest obwodem, który wykrywa zmiany takiego pola wokół siebie. Te zmiany, na zasadzie indukcji, generują przepływ ładunków w obwodach odbiornika. W dotychczasowych rozwiązaniach transmisji energii drogą radiową wytwarzany prąd jest bardzo mały, ale w wypadku wykorzystywania silniejszych pól będzie można wzbudzić także większy prąd i moc.

Chociaż kilka demonstracji transmisji większej mocy udało się zakończyć sukcesem, trudno ten sposób zasilania uważać za idealny. Przypomnijmy, że w metodzie RF energia rozchodzi się we wszystkie strony, więc tylko jej mała część może być przechwycona przez antenę, a resztą ulega rozproszeniu. Możliwe jest lepsze zogniskowanie strumienia elektromagnetycznego dzięki wykorzystaniu do transmisji częstotliwości mikrofalowych albo promieni lasera, ale ta metoda wymaga precyzyjnego ustawienia nadajnika i odbiornika względem siebie i z tego powodu będzie zbyt skomplikowana dla użytkownika. Na dodatek skoncentrowana wiązka energii może stanowić zagrożenie dla każdego, kto znajdzie się na jej drodze.

Metka w supermarkecie

Niemniej jednak właśnie metoda RF, wykorzystywana do transmisji niewielkiej mocy na bliską odległość, udowodniła swoją komercyjną przydatność. Według tej recepty funkcjonują bierne metki RFID. Używa się częstotliwości od 100 kHz do 6 GHz. Moc przekazywana w tym systemie nigdy nie przekracza 4 W, a zwykle jest zbliżona do 500 mW. Te parametry gwarantują zasięg do kilku metrów.

Dla odmiany indukcja magnetyczna operuje w dużo niższej częstotliwości i w słabszych polach, więc musi mieć krótszy zasięg. To są odległości charakterystyczne dla silników elektrycznych czy alternatorów samochodowych. Chociaż w tych drugich wykorzystuje się ruchome cewki i stałe magnesy, mogą także pracować w dynamicznym polu magnetycznym bez poruszania żadnym z wymienionych elementów. W ten sposób funkcjonują transformatory prądu zmiennego. Ze względu na krótki zasięg indukcji w przekazaniu energii mogą brać udział tylko urządzenia prawie dotykające się nawzajem, ale nie ma tu ani jednego z czynników szkodliwych dla zdrowia, charakterystycznych dla konkurencyjnej RF.

Kilku producentów zdalnego zasilania, na przykład Splashpower i Fulton Innovation, wykorzystuje już powyższą metodę. Do tej grupy zalicza się również technologia wykorzystywana od 40 lat w bezprzewodowych szczoteczkach do zębów. Ponieważ bliskość wody i elektryczności stanowi spore zagrożenie, możliwość naładowania akumulatora szczoteczki bez używania jakiegokolwiek elektrycznego kontaktu sprawia wrażenie wyjątkowo udanego pomysłu. Indukcja magnetyczna jest całkowicie bezpieczna, ale wymaga umieszczenia urządzenia bardzo blisko ładowarki.