В чем суть беспроводной передачи энергии?

Видеоканал “QWERTY”.

Автор канала «qwerty» Владислав Фагурел рассказал интересные факты о беспроводной передаче энергии. 12 сентября компания Apple не только явила миру свой очередной революционный Iphone, но и наконец представила беспроводное зарядное устройство. Инновация? Не совсем. Например, ещё 1893 году на всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Через год, уже в Нью-йорке, он смог зажечь фосфорные лампы накаливания. Еще через год в Санкт-Петербурге Александр Попов демонстрирует свой первый радиоприемник. Это ведь тоже беспроводная передача энергии. Вопрос только в том, как много и на какие расстояния посылать.

Действительно. Действительно, давайте разбираться – какие мощности употребляют электроприборы, которые нас окружают. Если говорить про телефон или планшет, то они требуют в среднем от 5 до 12 вт. Ноутбуки требуют побольше – 60-80 вт, что эквивалентно обычной лампочке накаливания. Бытовая техника требует от сотен ватт до единиц киловатт. Электромобили – десятки и сотни киловатт. Электропоезда могут съедать до десятков мегаватт. И наконец, если мы хотим отправить Марти Макфлая домой, необходимо достать 1 гигаватт электричества.

Хорошо. А какие же существуют подходы к беспроводной передаче энергии?

Исторически первый и самый простой способ – это использовать катушки индуктивности. Принцип простой. Берем две катушки. Одну подключаем к источнику питания и меняем силу тока, в результате чего меняется магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. А по закону Фарадея, при любом способе изменения магнитного потока в контуре возникает ЭДС, разная по модулю скорости изменения этого потока. Но у этого подхода есть свои недостатки. Во-первых, с помощью него нельзя передать большие мощности. Катушки просто расплавятся. Во-вторых, они работают на очень малых расстояниях. Чтобы понимали, насколько малых, возьмите два магнита. На какое расстояние нужно отвести, чтобы поле перестало действовать?

И в третьих, у этого подхода малый кпд. Не более 40 процентов. То есть 40% для катушек, это прямо вау, а не кпд. Таким способом много передать энергии не получится. И уж тем более на большие расстояния. О чем Николо Тесла черным по белому написал еще в 1899 году. Поэтому он и начал свои эксперименты с атмосферным электричеством, которые до сих пор покрыты огромным количеством тайн и мифов. Ну не получилось. Зато с помощью катушек можно делать потрясающие светомузыкальные шоу.

Окей. А как же передать высокие энергии на большие расстояния? Когда задал вопрос школьникам, они ответили: «лазером». Да, лазер – это классная штука, которая действительно позволяет передавать высокие энергии на большие расстояния. Но есть одна проблема. На земле из-за наличия атмосферы энергия лазерного излучения быстро поглощается, рассеивается. Поэтому этот способ применим только для безвоздушного пространства. И поэтому данной технологией вплотную занимается НАСА. Кстати в 2009 году они даже устроили соревнования по передаче энергии лазером. На котором первое место и приз 900000 долларов получила компания, которая смогла передать 500 вт на расстояние 1 км с кпд 10%. То есть 90% энергии потеряны. Даже не знаем, с чем сравнить.

Хотя надо сказать, что ещё до создания лазеров человечество придумало другой способ передачи энергии, который реально работает. Дело в том, что если использовать микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 гигагерц, то для нас открывается так называемое окно прозрачности атмосферы. Это значит, что микроволны с частотой, как бы не видят атмосферу. И при самых ужасных погодных условиях, которые только могут быть (град, снег, огненный торнадо), потери энергии составляют не более 5%. А теперь, внимание, вопрос! Как преобразовать электрический ток в микроволны, а после этого обратно в электрический ток? С первой задачей человечество справилось настолько круто, что практически у каждого в доме есть по магнетрону. Это генератор микроволнового излучения, который сидит в микроволновках, греет посуду и имеет кпд в 90-95 процентов. А как обратно?

И тут есть два подхода. Американский и советский. Начнем с американского. В начале шестидесятых годов доктор Уильям Браун разработал антенну, которая преобразовывала падающее на неё излучение обратно в электрический ток. Такой подход позволил ему в 1975 году передать 30 квт непрерывный мощности на расстоянии 1 км с кпд 82%. Это было настолько круто, что данный эксперимент до сих пор остается самым успешным за всю историю.

Но, несмотря на всю крутизну, подход имеет свои недостатки. Из-за того, что в его основе лежит  полупроводниковая техника, они миниатюрные и имеют высокий кпд вплоть до 95%. Но, они работают с малыми мощностями. Единицы ватт. То есть, чтобы передать большие мощности, из них собирают огромные панели. Здесь начинаются проблемы. Первая заключается в том, что в системе возникают переизлучение. Из-за чего теряется часть энергии, а безопасная зона, в которой можно находиться, заметно увеличивается. Вторая проблема, что при небольших перегрузках полупроводники сгорают. И делают это лавинно. То есть, перегрузка на одном элементе может забрать с собой все остальные.

Однажды на физическом практикуме по транзисторам преподаватель задал вопрос: “Владислав, скажите, пожалуйста, а почему, в случае ядерного взрыва, из-за электромагнитного импульса американская техника вырубается, а наша продолжает работать?” -“Не знаю”. – Да потому что у нас всё до сих пор на лампах. В этом заключается советский подход к передаче энергии.

В 70-ых годах на физическом факультете МГУ в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии Владимир Леонидович Савин под руководством профессора Владимира Ванке разработал циклотронный преобразователь энергии. Так как в его основе лежит ламповая технология, он не такой миниатюрный. Это трубка длиной 30-40 см и диаметром сечения 10-15 см. И КПД у него поменьше – 70-85%. Но, в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии надежный и безотказный, как автомат Калашникова. Работает с мощностями в 1000 раз большими, легко переносит перегрузки, не имеет проблем переизлучения и стоят на порядок дешевле. Но, несмотря на это, в мире с большей симпатией смотрят на полупроводниковый подход. Потому что в науке тоже есть понятие моды. Когда появились первые полупроводники, многие решили, что ламповая технология, это вчерашний день. Но, как показала практика, это не так. Поэтому не забывайте дедовские методы. Иногда они самые действенные.

В итоге, у нас есть три основных способа беспроводной передачи энергии. Первый способ, тот что с катушками, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния, этого достаточно, чтобы подзарядить телефон, планшет, и, может быть, даже ноутбук. Но это не точно. Из-за малого кпд, не сказать, что это эффективно. Но зато прикольно.

Способ с лазерами эффективно работает только в безвоздушном пространстве. Поэтому его можно использовать в космосе, но и, можно подсветить геликоптер, который занимается съемкой, и он должен находиться долгое время в воздухе. Из-за малого кпд, это очень неэффективно, но порой необходимо.

А с микроволнами можно прямо разгуляться. Потому что энергию можно передавать на Земле, в Космосе, с Земли в Космос, с Космоса на Землю, и любимый вариант – это с Земли в Космос и обратно на Землю. Такие проекты тоже были.

Расскажем про два самых классных проекта, которые были за всю историю беспроводной передачи энергии. Первый проект примечателен тем, что он почти удался. В конце девяностых – начале нулевых на острове Реюньон (это заморский регион Франции, 700 км от Мадагаскара) возникла потребность в передаче 10 квт непрерывной мощности на расстояние 1 километра. Из-за особенностей рельефа провода в таких условиях провести нереально, туда даже летают на вертолетах потому-что это самый дешевый и безопасный вариант.

И вот. Правительство Франции собрало целый конгломерат ученых из разных стран. В том числе были учёные кафедр фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ профессор Ванке и доцент Савин. В итоге, перед самым началом строительства, когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования. Потом начался 2008 год, и людям было не до этого. На самом деле жалко, работа была проделана достойная. И это было бы реально круто, если бы получилось.

Второй проект примечателен тем, что, несмотря на всю свою безбашенность, он вполне реален. И более того, на него выделяются деньги. Идея была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Блейзером. Он сказал: ” Давайте возьмем огромный спутник, выведем его на 136000 км над Землей, это высота геостационарной орбиты Земли, там раскроем огромные солнечные панели, соберем энергию Солнца, преобразуем ее в пучок свч волн и пустим на Землю. А там примем ее и преобразуем с помощью огромных антенн”.

Для передающей тарелки на спутник диаметром 1 км нужна принимающая тарелка на земле диаметром 5 километров. Чтобы понимали, 5 км – это Садовое кольцо. Ну и это ещё не всё. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5 гигаватт. После передачи на землю, оставалось бы два гигаватта. Красноярская ГРЭС дает 6 гигаватт. А тут стоимость проекта один триллион долларов.

Но наука не стояла на месте. Много чего стало эффективнее и дешевле. Спустя 40 лет об вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20-25 млрд долларов.

Хорошо. Но когда же сможем увидеть все Звездные войны своими глазами? Сказать трудно. Кажется, что надеяться даже на середину тридцатых годов слишком оптимистично. Делаем ставку, скорее, на вторую половину этого столетия. Ну а пока довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов, надеяться, что удастся повысить кпд, а также давайте искать всё новые и новые решения.