Zájem o bezdrátový přenos energie roste již půl století. S explozí přístrojů, obranou na víru „kostel obnovitelné energie“ a plánovaným přechodem planetární energie má tento zájem potenciál zažehnout boom vesmírné energie.
V roce 1891 Nikola Tesla vyvinul tzv. Teslovu cívku – rezonanční transformátor, který přenáší elektřinu na krátké vzdálenosti bez drátů. Toto zařízení je založeno na fyzikálním jevu elektrostatické indukce, kdy je proud generován gradientem elektrického pole nebo diferenciální kapacitou mezi dvěma nebo více izolovanými svorkami, deskami nebo elektrodami. V laboratorním měřítku může takové cívky vyrobit každý.
Bezdrátová síť měla být vybudována jako systém věží nebo zavěšených balónů vybavených rezonančními transceivery.
Tesla předvedl bezdrátové osvětlení zářivkami, v roce 1894 bezdrátově rozsvítil laboratorní žárovky a v roce 1901 postavil tzv. Wardenclyffe Tower – projekt demonstrující možnosti transatlantické telefonie, rozhlasového vysílání a bezdrátového přenosu vysokonapěťové elektřiny. .
Projekt věže byl podpořen investicemi finančníka Johna Pierponta Morgana, který do laboratoře investoval 150 tisíc dolarů (více než 3 miliony dolarů v cenách roku 2009). Předpokládá se, že akcionář první světové vodní elektrárny Niagara a měděných elektráren projekt na začátku ocenil, ale odmítl další financování, protože si prý nepřál zhroucení nadějného trhu s elektřinou. Projekt byl opuštěn v roce 1906 a o deset let později byla věž zbořena. Celosvětový bezdrátový systém společnosti Tesla, systém kombinující přenos energie s rádiovým vysíláním a směrovou bezdrátovou komunikací, který by umožnil sjednotit výrobu energie v globálním měřítku, se neuskutečnil.
100 let výzkumu a experimentů však ukazuje, že Teslov sen žije. Je možné, že geniální vynálezce byl na správné cestě. Experimenty pokračují! Desítky společností z americké Wave Inc. japonské společnosti Space Power Technologies a novozélandskému energetickému startupu Emrod (jmenují se legie), stejně jako vládní organizace vyvíjejí různé metody bezdrátového přenosu energie a předkládají návrhy na jejich implementaci v komerčním měřítku. Některé systémy již procházejí testováním v terénu. Bude zajímavé sledovat, kdo bude v tomto závodě na vrcholu, kdo přijde s efektivním, nákladově efektivním a životaschopným řešením bezdrátového napájení.
Navíc některé způsoby bezdrátového přenosu elektřiny jsou již dlouho součástí každodenního života. Příkladem je metoda elektromagnetické indukce, známá všem ze školní fyziky. Používá se v indukčním elektrickém sporáku, který ohřívá nádobí obsahující železo indukovanými vířivými proudy, které jsou vytvářeny magnetickým polem o frekvenci 20-100 kHz. Na principu elektromagnetické indukce se vyrábí mnoho bezdrátových nabíječek pro gadgety. Metodu rezonančního přenosu zná každý, kdo používá bezkontaktní čipové karty nebo se zabýval RFID čipy. Všechny tyto technologie mají jedno společné: vzdálenost mezi „vysílačem“ a „přijímačem“ je velmi malá a přenášený výkon je malý.
Ne každý ví, že nabíjení elektromobilů je drahé a trvá dlouho a nabíjecích stanic s „rychlonabíjením“ je málo. Americká společnost Wave testuje technologii nabíjecích systémů, které poskytují bezdrátový výkon až 1 MW – instalují se pod komunikace a na parkovištích. Projekt americké univerzity v Purdue (Indiana) a německé společnosti Magment nabízí další možnost bezdrátového nabíjení: silnice z magnetizovaného betonu budou moci nabíjet elektromobily za jízdy.
Dnes se ani jeden příběh o technických zázracích neobejde bez „japonské bezdrátové místnosti“. Myšlenka je tato: Vícesměrné, široce distribuované proudy na vodivých površích umístěných kolem cílového objemu – zkušebny 3x3x2 metry – generují vícenásobná, vzájemně jedinečná, trojrozměrná magnetická pole, která jsou pro člověka bezpečná. Tato pole pokrývají celou místnost včetně rohů. Taková „nabíjecí místnost“ dodává do libovolného bodu nejméně 50 wattů energie, což stačí k napájení lamp, smartphonů a dalších zařízení. Tvrdí se, že „bezdrátovou místnost“ lze zvětšit například na velikost nemocničního oddělení nebo dokonce průmyslové dílny. Popsaný systém bezdrátového přenosu energie neruší činnost elektroniky a nezahřívá biologické tkáně.
Svého času byly velké naděje vkládány do přenosu energie prostřednictvím směrovaného mikrovlnného záření. Experimenty s přeměnou takového záření na stejnosměrnou elektřinu pomocí mikrovlnného přijímače a usměrňovače probíhají již dlouhou dobu. Experimenty japonských výzkumníků v 1970. letech minulého století ukázaly maximální účinnost 84 %, ale výkon byl zjevně dost nízký. Nedávná zpráva z Číny uvádí, že elektřina neznámého výkonu byla přenášena pomocí mikrovln na vzdálenost až 10 metrů a že takový systém může teoreticky přenést 1 kW na vzdálenost až 20 metrů s účinností 25,5 %. Před šesti lety Japonská agentura pro výzkum vesmíru oznámila, že úspěšně bezdrátově přenesla 1,8 kW energie na vzdálenost 50 metrů do malého přijímače, čímž přeměnila elektřinu na mikrovlny a poté mikrovlny zpět na elektřinu.
Již zmíněný Emrod ohlásil na podzim roku 2021 ukázku komerčního systému pro bezdrátový přenos několika kilowattů elektřiny na vzdálenost několika kilometrů. Svůj vývoj se firma chystala ukázat už loni na podzim, ale plánovanému triumfu něco bránilo. Emrod ale rád předvede funkční prototyp zařízení skládajícího se z vysílací antény, řady relé a přijímací usměrňovací antény (rectenna). Ztráta energie při přenosu na prototypu je 30 % a účinnost přijímací antény z metamateriálů pohlcujících radioaktivní záření má tendenci ke 100 %.
Téměř každý týden se v tisku objeví stovky takových zpráv. Za století od Teslova experimentu bylo vyvinuto několik metod bezdrátového přenosu energie, vznikly desítky startupů, ale bezcitná fyzika zatím umožňuje pouze demonstrační experimenty, vhodné pouze pro crowdfundingová videa. Nejčastěji se tyto experimenty podobají pokusu o zřízení městského vodovodu rozstřikováním vody pod tlakem. Výzkum však nekončí: provádí se všude, od garážových laboratoří po vládní a podniková výzkumná centra, protože neúspěchy – a bylo jich mnoho – nezabily víru v možnost průlomu, který změní svět ještě více. radikálně, než to kdysi změnil střídavý proud.
Teslovy nápady ve vesmíru
Bez budování vzdušných zámků můžeme skromně doufat, že mikrovlnná bezdrátová energetická síť bude schopna doplnit tradiční drátovou síť tam, kde není možné položit elektrický kabel: v horách nebo řekněme na vesmírných automatických stanicích a satelitech. Historie techniky však naznačuje, že někdy je průlomový nápad mylně považován za vzdušný zámek. Příkladem je studie publikovaná japonskou univerzitou Tsukuba v srpnu 2021. Ukazuje, že vysokoenergetické mikrovlnné záření se může stát účinným zdrojem bezdrátové energie pro kosmické starty. Palivo ukradne až 90 % hmotnosti vztlaku rakety a pokud by se místo toho použila bezdrátová mikrovlnná energie, mohla by se (teoreticky) zvýšit nosnost.
Jedno z nejmladších průmyslových odvětví – vesmírná energetika – se však nejvíce zajímá o technologie bezdrátového přenosu energie. Prostor, kde je Slunce v přímé viditelnosti a jeho paprsky nejsou rozptylovány ani zeslabovány zemskou atmosférou, je ideálním místem pro sběr a využití sluneční energie. Svět je hladový po čisté, obnovitelné energii a energie poskytovaná sluncem je příliš dobrá na to, abychom ji propásli.
V roce 1968 americký výzkumný inženýr Peter Glaser představil myšlenku velkých satelitních systémů ve výšce geostacionární oběžné dráhy, které by shromažďovaly a přeměňovaly energii ze Slunce na mikrovlnný elektromagnetický paprsek a přenášely užitečnou energii do velkých antén na Zemi. (Přesně řečeno, myšlenku energetického satelitu poprvé navrhl v roce 1941 spisovatel sci-fi Isaac Asimov v příběhu „Logic“, který popisuje vesmírnou stanici, která pomocí mikrovlnných paprsků přenáší energii Slunce na různé planety. )
Představa P. Glasera je následující. Předpokládejme, že existuje síť satelitů na vysoké geostacionární oběžné dráze, které sbírají světlo ze Slunce pomocí solárních panelů nebo jiných zařízení, přeměňují světlo na energii z mikrovlnného signálu nebo laserového zářiče a napájejí vysílač nebo zářič. Mikrovlnný signál nebo laserová energie je přenášena do rectenna základní stanice na Zemi – s největší pravděpodobností její velikost bude obrovská. Základnová stanice přeměňuje mikrovlny na stejnosměrnou elektřinu a tak dále.
Koncept sklizně kosmické solární energie (SBSP) a její přenos na Zemi byl zkoumán od počátku 1970. let XNUMX. století. Přitažlivost SBSP spočívá v tom, že vesmírné solární energetické systémy přeměňují sluneční světlo na mikrovlny mimo atmosféru, čímž zabraňují ztrátám způsobeným odrazem a absorpcí energie.
To vše bude možné, až se lidé zbaví rušení v podobě mikrometeoritů, naučí se udržovat satelit ve stálé poloze (nyní se mění vlivem tlaku slunečního světla na rozmístěné solární panely), vyřeší problémy účinnosti fotovoltaika a mikročipy při vysokých a ultranízkých teplotách, přesnost a bezpečnost směrovaného energetického paprsku a několik desítek dalších problémů, každý složitější než druhý.
V posledních desetiletích, s klesajícími náklady na solární panely a doručování nákladu na oběžnou dráhu, tato myšlenka znovu získala na významu. SBSP jako rozsáhlá forma udržitelné zelené energie se chopila klimatického inženýrství. Moderní technologie a infrastruktura kosmických startů neumožňují vytvořit ani experimentální SBSP, ale čas plyne, a pokud se objeví radikálně nové technologie kosmických startů a dokonce orbitální průmyslové základny pro výrobu energetických satelitů z asteroidů, pak kdo ví, možná myšlenka dospěje k životu.
Výzkum v oblasti vesmírné energie se provádí v Japonsku, Číně, Rusku, Velké Británii a USA. V roce 2008 Japonsko přijalo základní zákon o vesmíru, který prohlásil solární energii z vesmíru za národní cíl.
TsNIIMash (vlajková loď výzkumných institucí Roskosmos) se chopil iniciativy k vytvoření experimentálních vesmírných solárních elektráren (KSPS) s kapacitou 1-10 GW s bezdrátovým přenosem elektřiny k pozemním spotřebitelům. Američtí a japonští vývojáři se vydali cestou využití mikrovlnného záření.
Další vesmírný projekt solární energie (Space-based Solar Power Project, SSPP) vešel ve známost v srpnu. Kalifornský technologický institut oznámil, že Donald Bren, člen představenstva univerzity a majitel investiční firmy Irvine Company, věnoval v roce 2013 100 milionů dolarů na vytvoření mikrovlnné satelitní bezdrátové sítě, která by mohla poskytovat nepřetržité napájení kdekoli na světě. Země. Dar vešel ve známost až nyní, o osm let později: SSPP chce milníky projektu představit veřejnosti. Na začátku roku 2023 organizace spustí demonstrační prototypy, které shromažďují a přeměňují sluneční světlo na elektrickou energii a přenášejí ji bezdrátově pomocí rádiových frekvencí. Prototyp se skládá z modelové sestavy plochých ultralehkých článků o rozměrech 6 x 6 stop, které integrují vysoce výkonný fotovoltaický systém a rozsáhlý sfázovaný anténní systém pro přenos energie. Integrace solární energie a RF konverze do jediného prvku snižuje hmotnost a složitost designu. Tento koncept poskytuje škálovatelnost a snižuje dopad selhání lokálních prvků na ostatní části systému.
Pokud se však jeden nebo všechny tyto projekty rozběhnou, budou čelit problému s rozptylem tepla. Podle výpočtů Evropské kosmické agentury bude vesmírná energie konkurenceschopná obnovitelným zdrojům energie, pokud bude satelitní systém schopen přenášet na Zemi energii o kapacitě 150 GW nebo více. To je třetina až polovina průměrné spotřeby elektřiny v Evropě. Buďme optimisté a představme si, že účinnost satelitního energetického systému je 20 %. To znamená, že přenos 150 GW elektřiny na pozemní stanici bude vyžadovat, abychom se zbavili 600 GW tepla ve vakuu. K tomu budete potřebovat chladič. Kam tedy zavěsíme naše satelity? A neuvaříme náhodou Tichý oceán?
Co se stalo? K tomu, aby se vesmírná energie stala skutečností, aby se energie Slunce mohla bezdrátově přenášet na Zemi, nebude stačit jeden šílený nápad.
Fyzici věří, že mikrovlny umožní nepřetržitý přenos elektřiny z vesmíru na Zemi.
Tým vědců z americké Naval Research Laboratory testoval novou technologii pro bezdrátový přenos energie. Vědci odhalili podrobnosti o projektu na webových stránkách námořnictva země.
Pomocí mikrovlnného záření byli fyzici schopni přenést elektřinu o výkonu 1,6 kilowattu na vzdálenost 1 kilometru na výzkumném místě americké armády v Blossom Point (Maryland). Laboratoř zdůrazňuje, že se jedná o nejúspěšnější a nejspolehlivější ukázku bezdrátového přenosu energie za posledních 50 let.
Energetické paprsky jsou přenášeny mezi dvěma body v rámci systému Safe and Continuous Power beaming – Microwave (SCOPE-M). Speciální zařízení přeměňuje elektřinu na mikrovlny, které jsou následně zaostřeny úzkým paprskem na přijímač s tzv. usměrňovacími anténami – speciální typ přijímací antény s vysokofrekvenčními diodami. Když mikrovlny dopadnou na rectenna, přemění se na stejnosměrný proud.
Po dobu 12 měsíců se američtí vědci snažili pomocí SCOPE-M přenášet elektřinu ve formě mikrovlnného paprsku o frekvenci 10 GHz na dvou místech – na testovacím místě Blossom Point a také na vysílači ultra-stack Haystack. širokopásmový satelitní zobrazovací radar na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Výsledkem v Marylandu byl o 60 % vyšší špičkový výkon, ale Massachusetts měl vyšší průměry, což nakonec vedlo k většímu množství vyrobené energie.
Jak vysvětlil Paul Jaffe, Ph.D., ředitel Power Beaming and Space Solar, vědci nechtějí používat vyšší frekvence mikrovln, protože by při průchodu atmosférou ztrácely energii. Frekvence 10 GHz umožňuje použití levných a spolehlivých komponent, s méně než 5% ztrátou výkonu i při silném dešti.
Úspěšné testování technologie otevírá vyhlídky na přenos energie ze Země do vesmíru a zpět bez poškození živých organismů. V minulých experimentech s výkonnějšími paprsky inženýři používali rušící systémy, které zastavily přenos, když se objekty přiblížily, ale SCOPE-M taková opatření nevyžaduje.
„Jako inženýři navrhujeme systémy, které nepřekračují bezpečnostní limity. To znamená, že jsou bezpečné pro ptáky, zvířata i lidi,“ dodal Paul Jaffe.
Elektronický inženýr Brian Tierney říká, že americké ministerstvo obrany má zájem o bezdrátový přenos energie, zejména z vesmíru. Podle něj lze pro takové účely použít podobné pole rectenna.
“Hlavní výhodou přenosu energie z vesmíru na Zemi pro americké ministerstvo obrany je snížení závislosti vojáků na dodávkách paliva, které mohou být náchylné k útoku,” vysvětlil fyzik.
Vedoucí projektu Christopher Rodenbeck tvrdí, že mikrovlny jsou nejekologičtější technologií pro přenos energie. Na rozdíl od jiných zdrojů elektřiny lze mikrovlny vysílat z vesmíru nepřetržitě a bez přerušení.
„To je něco, co dnes žádná jiná forma čisté energie nedokáže. Pokud jde o úroveň technologické připravenosti, cítím, že jsme velmi blízko k předvedení systému, který můžeme skutečně nasadit a používat v rámci amerického ministerstva obrany,“ řekl Christopher Rodenbeck.
Již v roce 1891 přišel vynálezce Nikola Tesla s rezonančním transformátorem schopným bezdrátově přenášet elektřinu. Takzvaná Teslova cívka fungovala jen na krátkou vzdálenost, takže se příliš nepoužívala.
Dříve vědci předpovídali, jak se budou vyvíjet bezdrátové technologie pro přenos energie. Nyní existují projekty usilující o přenos elektřiny prostřednictvím satelitů, mikrovln a laserů.
Napsali také, že nový „Nikola Tesla“ patentoval nekonečný generátor energie, který mění prostor a čas. Inženýr Salvatore Cesar Pais se snaží uvést v život několik ambiciózních nápadů, které výrazně předbíhají moderní technologie.
