Здійснені мрії Ніколи Тесли

Ідея, яка ще кілька років тому здавалася профанацією науки, вийшла на стадію комерційного застосування.

Безпроводовий стандарт

Безпроводовим Інтернетом нікого вже не здивуєш, а от безпроводова передача­ ­електроенергії досі сприймається як щось фантастичне.­ Справді, чи можна ефективно­­ передавати енергію без кабелів? В останні кілька років в цьому напрямку велись активні дослідження, і перші комерційні пристрої, що покликані «відучити» техніку від дротів, уже з’явились у продажу.

Справжній бум почався восени 2009 року, коли компанії—виробники електроніки одна за одною анонсували пристрої індукційної зарядки. Перші зразки не були сертифіковані й підтримували обмежений набір пристроїв. Ситуація змінилась торік, коли Wireless Power Consortium (організація, що працює над стандартизацією безпроводових пристроїв) затвердила новий стандарт Qi 1.0, розробка якого тривала більше року. Він зробив зарядні пристрої універсальними та взаємозамінними. Зараз Wireless Power Consortium працює над новим досконалішим стандартом, який, за прогнозом,  збільшить продаж пристроїв зі 100 тис. до 100 млн на рік.

Основний принцип, який покладено в основу безпроводової зарядки, досить простий і ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Замість мідного провідника використовується блок перетворення, аналогічний звичайному трансформатору. ККД такої «зарядки» коливається від 50% до 90%. Wireless Power Consortium у своїх документах називає проміжну цифру — 70%.

Плюси нової технології очевидні. По-перше, зручність — той самий мобільний телефон можна просто покласти на полицю й не турбуватись про підключення проводів. По-друге, універсальність —  власник сертифікованої техніки зможе заряджати її на будь-якій моделі Qi-сумісної зарядки. Нарешті, індуктивна зарядка досить економічна, адже під час простою споживання електроенергії фактично немає.

Як це працює?

Найочевиднішим із можливих методів безпроводової передачі енергії для побутових потреб є принцип електродинамічної індукції. Простий приклад — звичайний електричний трансформатор. Як відомо, первинні й вторинні ланцюги трансформатора безпосередньо не пов’язані, а енергія передається за допомогою процесу, відомого як взаємна індукція. Правда, зі збільшенням відстані між обмотками помітно збільшуються втрати, тому для ефективної передачі енергії необхідно, щоб обмотки були розміщені на відстані не більше сантиметра.

На щастя, у 2006 році американський учений хорватського походження Марін Сольячич із Массачусетського технологічного університету розробив резонансний індуктивний трансформатор. У цьому пристрої два резонатори з однаковою частотою власних коливань ефективно обмінюються енергією, при цьому її дисипація (розсіяння) на зовнішніх нерезонансних об’єктах є досить незначною.

Замість електричної індукції в такому трансформаторі застосовується магнітна, оскільки більшість звичайних матеріалів ніяк не взаємодіють із магнітним полем. Завдяки математичному моделюванню, жорстко заданим параметрам коливальних контурів та використанню ефекту так званого «евансцентного» зв’язку (явища, пов’язаного з квантовим тунелюванням), вченим удалося досягти міцного зв’язку між резонаторами на мегагерцових частотах. При цьому вимога збігу характеру та частоти резонансних коливань між приймачем та передавачем  виключає можливість випадкового прий­няття енергії сторонніми предметами (наприклад, котушками індуктивності побутової техніки).

По суті, ідея американського вченого повторює більш ніж сторічної давнини експерименти Ніколи Тесли з урахуванням досягнень сучасної фізики та методів математичного моделювання процесів у електромагнітному полі.

Таким чином, індуктивний резонансний трансформатор може заряджати пристрої-приймачі на досить значній відстані (теоретично — десятки метрів). При цьому порівняно легко уникнути як небажаного розсіяння енергії на сторонніх об’єктах, так і «несанкціонованих» підключень. Індуктивна резонансна «зарядка» може передавати електричну енергію з однієї «бази» одразу на всі сумісні з нею пристрої у приміщенні, ліквідуючи потребу як у проводах, так і у кількох різних зарядних пристроях.

Майбутнє сьогодні

Дослідженням безпроводової передачі енергії для побутових пристроїв в останні роки займалося багато компаній, зокрема — Intel, Sony, Fujitsu, Energizer. Хоча деякі розробки так і залишились у лабораторіях, багато продуктів уже вийшли на ринок.

Однією з перших індукційний зарядний пристрій­ представила компанія Power­­­­­­mat. Її моделі підтримують робо­ту з iPhone, iPod та Black­Berry. Список обмежений, оскільки спочатку жоден телефон не має приймача для отримання енергії. Він інсталюється в апарат уже пізніше, разом із новою батареєю, а спеціальні акумулятори поки що доступні лише для найпопулярніших пристроїв.

Компанія GEAR4 використовує дещо інший підхід. Замість батареї в комплектацію її зарядного пристрою входить спеціальний корпус для iPhone, що повинен бути на телефоні під час підзарядки. Прогумовану накладку не обов’язково знімати й у інший час, оскільки вона виконує також захисну функцію.

Найновіший зарядний пристрій Energizer Qi уже пройшов сертифікацію й може одночасно підзаряджати до трьох апаратів. Ще півтора року тому компанія почала випуск Wiimote Induction Charging System для безпроводових контролерів Nintendo Wii.

Незважаючи на те, що стандарт Qi 1.0 не розрахований на зарядку потужних пристроїв, деякі компанії  розроб­ляють власні «зарядки» для
ноутбуків. Близько року тому Dell представила 16-дюймову модель Latitude Z, яка вміє заряджатись без кабелів, якщо розміщена на спеціальній підставці. Ціна такого лептопа — близько $2000 залежно від комплектації.

На недавній виставці CES 2011 стенд компанії Fulton Innovation демонстрував без­­­ліч бездротових розробок для пристроїв низької потужності та більш потужні «зарядки» для інтелектуального будинку. Серед продукції компанії — зарядні пристрої для мобільних телефонів, ноутбуків, побутових приладів. Більшість із них вже достатньо мініатюрні та можуть уміститися в батарейні відсіки мобільних  телефонів без додаткової модифікація корпуса. Результат було досягнуто зав­дяки партнерству з компанією Texas Instruments.

На стенді був представлений електричний автомобіль, запаркований на безпроводовій зарядній панелі. Зазвичай електричні автомобілі заряджаються за допомогою кабелю та штекера, оскільки безконтакт­на зарядка вважається надто витратною. Проте, спеціалісти Fulton Innovation стверджують, що ККД їх нової розробки становить 89% —  лише на 7% менше, ніж за традиційної зарядки.

Очевидно, що в найближчому майбутньому дослідження сконцентруються на вирішенні   проблем молодої технології: підвищенні ККД пристроїв, збільшенні відстані передачі та кількості енергії, яка може передаватись. Також варто очікувати, що  найближчим часом пристрої зарядки стануть універсальними й зможуть заряджати все — телефони, планшети, мишки, портативні консолі,  ноутбуки, камери й таке інше.

Кілька місяців тому компанія Fujitsu оголосила, що в 2012 році запустить в серійне виробництво нове покоління зарядних пристроїв, які  заряджатимуть телефони в 150 разів швидше за своїх попередників. При цьому ефективність передачі енергії становитиме 85%. Nissan уже зараз демонструє пристрій, здатний заряджати електромобілі лише за 3 години. Інженери стверджують, що ефективність таких систем навіть вища, ніж  за звичайної кабельної зарядки.

Можна сподіватись, що вже через кілька років наше життя буде справді безпроводовим, і проблеми з численними проводами та пошуком зарядок для речей, необхідних  у повсякденному житті, підуть у минуле.

Факти і цифри

2007 рік — дослідницька група під керівництвом професора Маріна Сольячича з Массачусетського технологічного університету передає на відстань 2 м енергію, достатню для світіння лампочки потужністю 60 Вт. Для передачі був застосований резонансний індуктивний трансформатор.

2008 рік — створений консорціум зацікавлених компаній, який дістав назву Power Consortium. Учасниками консорціуму стали компанії Nokia, Philips, Texas Instruments, Fulton Innovation та інші.

Починається розробка нового промислового стандарту для індукційних зарядних пристроїв малої потужності.

2009 рік — Sony демонструє, як із використанням безпроводової електродинамічної індукції працює телевізор потужністю 60 Вт на відстані 50 см від джерела електрики. Норвезька компанія Wireless Power & Communication створює промисловий світильник, який може безпечно працювати та заряджатися безконтактним шляхом в атмосфері, насиченій вогненебезпечним газом.

2010 рік — стандарт Qi 1.0 затверджено, починаються роботи над новою версією стандарту. На ринку з’являються побутові пристрої, що використовують резонансну індукцію.