Na konci 57. století objev, že elektřina dokáže rozzářit žárovku, vyvolal explozi výzkumu, který měl najít nejlepší způsob přenosu elektřiny. Závod vedl slavný fyzik a vynálezce Nikola Tesla, který vypracoval grandiózní projekt. Neschopen uvěřit realitě vytvoření kolosální sítě drátů pokrývajících všechna města, ulice, budovy a místnosti, Tesla dospěl k závěru, že jediným možným způsobem přenosu je bezdrátový. Navrhl přibližně XNUMX metrů vysokou věž, která měla přenášet energii na vzdálenost mnoha kilometrů, a na Long Islandu ji dokonce začal stavět. Byla provedena řada experimentů, ale nedostatek peněz neumožnil věž dokončit. Myšlenka přenosu energie vzduchem se rozplynula, jakmile se ukázalo, že průmysl je schopen navrhnout a implementovat kabelovou infrastrukturu.
A tak před pár lety docenta fyziky na Massachusetts Institute of Technology (MIT) Marina Soljačiće probudilo ze sladkého spánku vytrvalé pípání mobilního telefonu. “Telefon nepřestal mluvit a požadoval, abych ho nabil,” říká Soljacic. Unavený a nechystal se vstát začal snít o tom, že se telefon, až bude doma, začne sám nabíjet.
Soljacic začal zkoumat způsoby přenosu energie bez drátů. Opustil projekty dálkového přenosu energie jako Tesla a zaměřil se na způsoby přenosu energie na krátké vzdálenosti, které by nabíjely nebo dokonce zapínaly přenosná zařízení – mobilní telefony, PDA, notebooky.
Nejprve zvažoval použití rádiových vln, které jsou tak účinné při přenosu informací na dálku, ale zjistil, že v tomto případě by se většina energie rozptýlila ve vesmíru. Použití laseru vyžadovalo, aby zdroj energie a nabíjené zařízení byly ve vzájemném zorném poli a mezi nimi nebyly žádné překážky. Kromě toho byla tato metoda plná poškození předmětů zachycených na přenosovém vedení. Soljacic proto začal hledat způsob přenosu, který by byl jak účinný, tedy schopný přenášet energii, aniž by ji rozptýlil, tak bezpečný.
Nakonec se ustálil na fenoménu rezonanční komunikace, kdy dva objekty naladěné na stejnou frekvenci si mezi sebou intenzivně vyměňují energii, zatímco s jinými objekty interagují jen slabě. Klasickou ilustrací tohoto efektu je experiment s několika sklenicemi naplněnými vínem, každá na jiné úrovni než ostatní. Výsledkem je, že každá sklenice má jedinečnou zvukovou frekvenci, která způsobuje vibrace. Pokud zpěvák zahraje notu příslušné frekvence, může jedna ze sklenic dostat takovou dávku akustické energie, že se rozpadne, zatímco zbývající sklenice zůstanou nepoškozeny.
Soljacic si uvědomil, že magnetická rezonance je slibný způsob přenosu elektřiny. Magnetické pole se šíří volně v prostoru a při správně zvolených frekvencích je pro živé bytosti neškodné. Ve spolupráci s profesory fyziky z MIT Johnem Joannopoulosem a Peterem Fisherem a třemi studenty vyvinul jednoduché zařízení, které bezdrátově rozsvítilo 60wattovou žárovku.
Zařízení se skládalo ze dvou měděných cívek laděných do rezonance, zavěšených u stropu ve vzdálenosti asi dvou metrů. Jedna cívka byla připojena ke zdroji střídavého proudu a vytvářela magnetické pole. Druhá cívka, naladěná na stejnou frekvenci a připojená k žárovce, rezonující v magnetickém poli, generovala proud, který žárovku zapálí. Zařízení fungovalo, i když byla mezi cívky umístěna tenká stěna.
Nejúčinnější dosud vytvořené zařízení se skládá z 60centimetrových měděných cívek a magnetického pole o frekvenci 10 megahertzů. Umožňuje přenášet energii na vzdálenost dvou metrů s 50% účinností. Výzkum se provádí se stříbrem a dalšími materiály, aby se zmenšila velikost cívek a zvýšila účinnost. Soljacic doufá, že dosáhne 70-80 procent účinnosti průchodu.
V současné době se zkoumá řada dalších metod bezdrátového dobíjení baterií. Startupy jako Powercast, Fulton Innovation a WildCharge začaly uvádět na trh adaptéry, které umožňují bezdrátové nabíjení mobilních telefonů, MP3 přehrávačů a dalších zařízení v domácnosti nebo autě. Soljacicův přístup je ale odlišný v tom, že umožňuje zařízení automaticky dobíjet, jakmile se dostanou do dosahu bezdrátového vysílače.
Práce Soljacicovy skupiny přitáhla pozornost společností vyrábějících elektronická zařízení a automobilového průmyslu. Výzkum financovalo americké ministerstvo obrany, které doufalo v získání technologie pro bezdrátové automatické nabíjení baterií. O možném průmyslovém uplatnění své technologie však Soljacic raději nemluví.
V dnešním světě poháněném bateriemi existuje tolik potenciálních aplikací, kde by naše technologie mohla být použita,“ říká. “Toto je velmi účinná metoda.”
Dobrý den, Habr! Chci vám vyprávět příběh o dávné minulosti. Psal se rok 1891. Tehdy málo známý srbsko-americký vědec jménem Nikola Tesla vyvinul zařízení, které bezdrátově vyrábělo a přenášelo elektřinu. Tesla Coil byla prototypem jeho vlastní technologie, tato cívka byla považována za svatý grál přenosu energie.
Dnes, revoluce ve vědě oživila Teslovu mimořádnou myšlenku, která byla kdysi považována za sen a vyhlídky jsou neuvěřitelně atraktivní.
Tesla cívka
Teslova cívka je elektrický rezonanční transformátor. Radiofrekvenční generátor pro výrobu vysokého napětí, pohánějící transformátor při nízkých proudech. Cívka funguje na principu elektromagnetické indukce: vodič je umístěn v měnícím se magnetickém poli a generuje napětí na vodiči. Tesla předvádí ukázky toho, jak lze cívku použít k bezdrátovému napájení žárovek umístěných několik metrů od sebe.
Dokonce i podle moderních měřítek byla Tesla daleko před svou dobou. Jeho ambice ale přesahovaly prototyp cívky Tesla. Představoval si svět, ve kterém by celé lidstvo mohlo mít levnou nebo dokonce bezplatnou elektřinu. Posouval hranice, když do života vnesl něco funkčnějšího.
Věž Wardenclyffe
Wardenclyffe Tower byla experimentální bezdrátová přenosová stanice postavená pro celosvětové telekomunikace.
Teslovou hlavní posedlostí však byl bezdrátový přenos energie. Finanční prostředky na stavbu věže získal tím, že ji přestrojil za telekomunikační věž. Už prokázal, že vysokofrekvenční signály lze přenášet bezdrátově pomocí Teslových cívkových transformátorů.
Další tajné experimenty v jeho laboratoři ho přesvědčily, že dokáže přenášet elektrickou energii využitím horní atmosféry Země. Věž Wardenclyffe byla prototypem toho, co si Tesla představoval jako síť věží pokrývajících celou zeměkouli, které přijímají vzdálené bezdrátové napájení z centrální stanice.
Teslovým plánem bylo vyrobit elektřinu z nedalekého uhelného pole a poslat ji do celého světa pomocí věže, podobně jako se rádiové vlny přenášejí bezdrátově na velké vzdálenosti. V rozhovoru pro The American Magazine Tesla zachytil svou vizi těmito silnými slovy:
“Napájení může být a v blízké budoucnosti bude přenášeno bezdrátově pro všechny komerční účely, jako je osvětlení domů a ovládání letadel.” Objevil jsem základní principy a zbývá je jen komerčně rozvíjet. Jakmile to uděláte, můžete jít kamkoli na světě – na vrchol hory s výhledem na vaši farmu, do Arktidy nebo do pouště – a nainstalovat malé zařízení, které vám poskytne teplo na vaření a světlo na čtení.“
Světlo světa bohužel nespatřily nespoutané ambice Tesly. Cesta byla uzavřena poté, co J. P. Morgan zastavil financování projektu a Tesla zkrachovala. Nedokončená věž byla zbořena v roce 1917, aby splnila některé Teslovy finanční závazky. Až dosud byl koncept bezdrátového napájení pohřben pod troskami byrokratických, politických a finančních omezení.
Bezdrátová elektřina dnes
Od zhroucení nadějí uplynulo více než 100 let. Několik společností nyní vstupuje na trh s technologiemi, které mohou bezpečně přenášet energii vzduchem. Emrod, startup podporovaný novozélandskou vládou, vede závod o splnění očekávání spotřebitelů tím, že jako první na světě nasadil vysokovýkonný bezdrátový přenos energie na dlouhé vzdálenosti, aby nahradil stávající technologii měděných drátů.
Tato technologie využívá elektromagnetické vlny k bezdrátovému přenosu energie na velké vzdálenosti. Energie je přeměněna vysílací anténou na elektromagnetické záření, zachycené přijímací anténou (rectenna) a poté distribuováno lokálně pomocí tradičních metod. Systém Emrod se skládá ze čtyř komponent: napájecího zdroje, vysílací antény, vysílacího relé a přijímacího přijímače.
Schematický model teleenergetického systému Emrod
Nejprve vysílací anténa přemění elektřinu na mikrovlnnou energii a soustředí elektřinu do válcového paprsku. Mikrovlnný paprsek prochází řadou překladačů, dokud nenarazí na rectenna, která paprsek přemění zpět na elektrickou energii. Jednoduché, že?
Totéž se děje v jakémkoli rádiovém systému, ale v rádiu může být množství energie, které dosáhne přijímače, nepatrné; k dodání srozumitelného signálu stačí nabrat několik pikowattů.
Místo toho je nejdůležitější množství čisté, bezdrátově odeslané energie. Výsledný zlomek přenesené energie se stává klíčovým konstrukčním parametrem, proto je nutné vyvinout efektivní způsoby, jak minimalizovat ztráty.
Emrod našel způsob, jak tento problém vyřešit. Přijali jsme myšlenky radaru a optiky. Ve srovnání s předchozími pokusy o bezdrátové napájení založené na mikrovlnné troubě používá Emrod metamateriály (v relé) k bližšímu zaostření přenášeného záření.
Výkonové ztráty při takovém přenosu jsou minimalizovány. Generální ředitel společnosti Emrod říká, že jejich systém funguje se 70% účinností, což je méně než účinnost měděných drátů, ale v některých případech je systém stále nákladově efektivní. Do budoucna společnost plánuje zlepšení energetické účinnosti.
Technologie je spolehlivá, protože ji neovlivňují povětrnostní ani atmosférické podmínky, takže neočekávané výpadky proudu budou minulostí.
Jedním z problémů je otázka bezpečnosti. Emrodův elektromagnetický paprsek pracuje na frekvencích klasifikovaných jako ISM – průmyslové, vědecké a lékařské paprsky, které jsou pro lidské zdraví neškodné.
Prozatím je cílem startupu dodávat energii komunitám mimo síť nebo přenášet energii ze zdrojů na moři.
Vyhlídky na bezdrátovou elektřinu
Lze namítnout, že bezdrátová elektřina je jedním z těch vynálezů, které pro nás nejsou nutné. Přeci jen už přenášíme elektřinu a funguje to skvěle. To ale zdaleka není pravda. Skryté náklady tradičního způsobu přenosu elektřiny jsou extrémně vysoké.
Instalace elektrického vedení a jeho údržba je nákladná, nemluvě o geografických omezeních rozšiřování rozvodných sítí do odlehlých oblastí. Lodě na moři, elektromobily nebo letadla lze tankovat za pohybu. Emrodův přístup by vyřešil problém s dosahem, zejména pro navrhované komerční sazby elektřiny.
Ale možná největší revolucí bude celosvětový přechod k čisté, levné a obnovitelné energii. Měřítko můžete pochopit pomocí dvou faktů.
1. Dálkový přenos solární energie
Podle globálních energetických statistik činila celková světová spotřeba energie v roce 2019 13 miliard tun ropného ekvivalentu (MTOE). Jinými slovy, to je 17,3 terawattů výkonu.
Pokud bychom dnes pokryli 350 km krát 350 km území pomocí solárních panelů, mohlo by to poskytnout výkon přes 17,4 TW. Zmíněná oblast je asi 43000 3,6 čtverečních mil. Velká Sahara má rozlohu asi 12 milionu čtverečních mil a má více než XNUMX hodin denního světla, a tedy i energie.
To znamená, že 1,2 % pouště stačí k pokrytí světových energetických potřeb. A tomu nemůže konkurovat ani jaderná fúze, ani žádný jiný čistší zdroj energie, který se v současnosti vyvíjí.
Co když se bezdrátová elektřina stane realitou, využijeme malou část Sahary ke sběru sluneční energie a jejímu přenosu po celém světě, aniž bychom potřebovali drahé měděné dráty? Mohl by to být zásadní průlom v řešení problémů energetické krize, znečištění životního prostředí a změny klimatu?
2. Vesmírná sluneční energie
Obří solární panely sbírající sluneční energii ve vesmíru a přenášející ji zpět na Zemi vypadají jako bláznivá scéna ze sci-fi filmu.
Myšlenka vesmírné solární energie, kterou vyvinul ruský vědec Konstantin Ciolkovskij ve dvacátých letech minulého století, zůstala do značné míry nepolapitelná. Všechno se ale mění. Před několika měsíci Evropská vesmírná agentura oznámila svůj plán financovat solární energii ve vesmíru jako prostředek k řešení změny klimatu podporou výroby zelené energie.
Vesmírná solární energie bude využívat koncept bezdrátové elektřiny. V plánu je přeměnit elektřinu ze solárních panelů na energetické vlny a využít elektromagnetické pole k přenosu níže do antény na povrchu Země. Anténa pak přemění vlny zpět na elektřinu.
Díky několika výhodám je CSP atraktivním řešením hrozící energetické krize, které bude generovat více energie:
- Ve vesmíru je vždy slunečné poledne. Solární panely Země jsou omezeny denním světlem a povětrnostními podmínkami.
- Solární panely mohou přijímat intenzivnější sluneční světlo díky absenci překážek atmosférických plynů, mraků, prachu a dalších povětrnostních jevů. Zemská atmosféra typicky absorbuje a odráží zpět část slunečního světla.
- Solární satelit může být osvětlen 29/XNUMX. V současnosti se solární energie shromažďuje v průměru XNUMX % dne.
- Výživa může být rychle přesměrována do oblastí, které to nejvíce potřebují.
Bezdrátová elektřina: Teslov sen a naše budoucí realita
Využitím obrovského potenciálu bezdrátové elektřiny může naše výroba hodně získat a co ztratit. V dalších letech nezbývá než doufat, že současné úsilí o realizaci tohoto monumentálního počinu přinese pozitivní výsledky. Nikola Tesla, velký vynálezce, bohužel není s námi, aby mohl vidět splněný sen. Jsem rád, že se mohu podělit o jeden z Teslových slavných citátů, který je velkým zdrojem inspirace pro začínající vědce z celého světa:
“Pokud chcete odemknout tajemství vesmíru, myslete na to z hlediska energie, frekvence a vibrací.”
