Воплощенные мечты Николы Теслы
Идея, еще несколько лет назад казавшаяся профанацией науки, вышла на стадию коммерческого применения.
Беспроводной стандарт
Беспроводным Интернетом никого уже не удивишь, а вот беспроводная передача электроэнергии до сих пор воспринимается как нечто фантастическое. Действительно, можно ли эффективно передавать энергию без кабелей? В последние несколько лет в этом направлении велись активные исследования, и первые коммерческие устройства, пытающиеся «отучить» технику от проводов, уже появились в продаже.
Настоящий бум начался осенью 2009 года, когда компании — производители электроники одна за другой анонсировали устройства индукционной зарядки. Первые образцы не были сертифицированы и поддерживали ограниченный набор устройств. Ситуация изменилась в прошлом году, когда Wireless Power Consortium (организация, работающая над стандартизацией беспроводных устройств) утвердила новый стандарт Qi 1.0, разработка которого велась больше года. Он сделал зарядные устройства универсальными и взаимозаменяемыми. Сейчас Wireless Power Consortium работает над новым более совершенным стандартом, который, по прогнозу, увеличит продажу устройств со 100 тыс. до 100 млн в год.
Принцип, положенный в основу беспроводной зарядки, довольно прост и базируется на явлении электромагнитной индукции. Вместо медного проводника используется блок преобразования, аналогичный обычному трансформатору. КПД такой «зарядки» колеблется от 50 до 90%. Wireless Power Consortium в своих документах называет промежуточную цифру — 70%.
Плюсы новой технологии очевидны. Во-первых, удобство — тот же мобильный телефон можно просто положить на полку и не беспокоиться о подключении проводов. Во-вторых, универсальность — владелец сертифицированной техники сможет заряжать ее на любой модели Qi-совместимой зарядки. Наконец, индуктивная зарядка довольно экономична, ведь во время простоя потребления электроэнергии фактически нет.
Как это работает?
Наиболее очевидный из возможных методов беспроводной передачи энергии для бытовых нужд — принцип электродинамической индукции. Простой пример — обычный электрический трансформатор. Первичная и вторичная цепи трансформатора непосредственно не связаны, а энергия передается с помощью процесса, известного как взаимная индукция. Правда, с увеличением расстояния между обмотками заметно растут потери, поэтому для эффективной передачи энергии необходимо, чтобы обмотки размещались на расстоянии не больше сантиметра.
К счастью, в 2006 году американский ученый хорватского происхождения Марин Сольячич из Массачусетсского технологического университета разработал резонансный индуктивный трансформатор. В этом устройстве два резонатора с одинаковой частотой собственных колебаний эффективно обмениваются энергией, при этом ее диссипация (рассеивание) на внешних нерезонансных объектах довольно незначительна.
Вместо электрической индукции в таком трансформаторе применяется магнитная, поскольку большинство обычных материалов никак не взаимодействуют с магнитным полем. Благодаря математическому моделированию, жестко заданным параметрам колебательных контуров и использованию эффекта так называемой эвансцентной связи (явления, связанного с квантовым туннелированием) ученым удалось достичь прочной связи между резонаторами на мегагерцевых частотах. При этом требование совпадения характера и частоты резонансных колебаний между приемником и передатчиком исключает возможность случайного принятия энергии посторонними предметами (например, катушками индуктивности бытовой техники).
В сущности, идея американского ученого повторяет более чем столетней давности эксперименты Николы Теслы с учетом достижений современной физики и методов математического моделирования процессов в электромагнитном поле.
Таким образом, индуктивный резонансный трансформатор может заряжать устройства-приемники на довольно значительном расстоянии (теоретически — десятки метров). При этом сравнительно легко избежать как нежелательного рассеивания энергии на посторонних объектах, так и «несанкционированных» подключений. Индуктивная резонансная «зарядка» может передавать электрическую энергию с одной «базы» сразу на все совместимые с ней устройства в помещении, избавляя от необходимости как в проводах, так и в нескольких различных зарядных устройствах.
Будущее сегодня
Исследованием беспроводной передачи энергии для бытовых устройств в последние годы занималось много компаний, в частности Intel, Sony, Fujitsu, Energizer. Хотя некоторые разработки так и остались в лабораториях, многие продукты уже вышли на рынок.
Одной из первых индукционное зарядное устройство представила компания Powermat. Ее модели поддерживают работу с iPhone, iPod и BlackBerry. Список ограничен, поскольку изначально ни один телефон не имеет приемника для получения энергии. Он инсталлируется в аппарат уже позднее, вместе с новой батареей, а специальные аккумуляторы пока что доступны лишь для самых популярных устройств.
Компания GEAR4 использует несколько иной подход. Вместо батареи в комплектацию ее зарядного устройства входит специальный корпус для iPhone, который должен быть на телефоне во время подзарядки. Прорезиненную накладку не обязательно снимать и в другое время, поскольку она выполняет и защитную функцию.
Новейшее зарядное устройство Energizer Qi уже прошло сертификацию и может одновременно подзаряжать до трех аппаратов. Еще полтора года назад компания начала выпуск Wiimote Induction Charging System для беспроводных контроллеров Nintendo Wii.
Несмотря на то, что стандарт Qi 1.0 не рассчитан на зарядку мощных устройств, некоторые компании разрабатывают собственные «зарядки» для ноутбуков. Около года назад Dell представила 16-дюймовую модель Latitude Z, которая умеет заряжаться без кабелей, если размещена на специальной подставке. Цена такого лэптопа — около $2000 в зависимости от комплектации.
На недавней выставке CES-2011 стенд компании Fulton Innovation демонстрировал множество беспроводных разработок для устройств низкой мощности и более мощные «зарядки» для интеллектуального дома. Среди продукции компании — зарядные устройства для мобильных телефонов, ноутбуков, бытовых приборов. Большинство из них уже достаточно миниатюрны и могут поместиться в батарейные отсеки мобильных телефонов без дополнительной модификации корпуса. Результат достигнут благодаря партнерству с компанией Texas Instruments.
На стенде был представлен электрический автомобиль, запаркованный на беспроводной зарядной панели. Обычно электрические автомобили заряжаются с помощью кабеля и штекера, поскольку бесконтактная зарядка считается довольно затратной. Однако специалисты Fulton Innovation утверждают, что КПД их новой разработки составляет 89% — всего на 7% меньше, чем при традиционной зарядке.
Очевидно, что в ближайшем будущем исследования сконцентрируются на решении проблем молодой технологии: повышении КПД устройств, увеличении расстояния передачи и количества энергии, которая может передаваться. Также следует ожидать, что в ближайшее время устройства зарядки станут универсальными и смогут заряжать все — телефоны, планшеты, мышки, портативные консоли, ноутбуки, камеры и тому подобное.
Несколько месяцев назад компания Fujitsu объявила, что в 2012 году запустит в серийное производство новое поколение устройств, которые будут заряжать телефоны в 150 раз быстрее своих предшественников. При этом эффективность передачи энергии составит 85%. Nissan уже сейчас демонстрирует устройство, способное заряжать электромобили всего за 3 часа. Инженеры утверждают, что эффективность таких систем даже выше, чем при обычной кабельной зарядке.
Можно надеяться, что уже через несколько лет наша жизнь будет в самом деле беспроводной, и проблемы с многочисленными проводами и поиском зарядок для вещей, необходимых в повседневной жизни, канут в Лету.
Факты и цифры
2007 год – исследовательская группа под руководством профессора Марина Сольячича из Массачусетсского технологического университета передает на расстояние 2 м энергию, достаточную для свечения лампочки мощностью 60 Вт. Для передачи был применен резонансный индуктивный трансформатор.
2008 год – создан консорциум заинтересованных компаний, получивший название Power Consortium. Участниками его стали компании Nokia, Philips, Texas Instruments, Fulton Innovation и прочие.
Начинается разработка нового промышленного стандарта для индукционных зарядных устройств малой мощности.
2009 год – Sony демонстрирует, как с использованием беспроводной электродинамической индукции работает телевизор мощностью 60 Вт на расстоянии 50 см от источника электричества. Норвежская компания Wireless Power & Communication создает промышленный светильник, который может безопасно работать и заряжаться бесконтактным путем в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом.
2010 год – стандарт Qi 1.0 утвержден, начинаются работы над его новой версией. На рынке появляются бытовые устройства, которые используют резонансную индукцию.