كهرباء بدون أسلاك. نحو عالم جديد من الكهرباء اللاسلكية

في نهاية القرن التاسع عشر ، تسبب اكتشاف أن الكهرباء يمكن أن تستخدم في توهج المصباح الكهربائي في انفجار بحثي يهدف إلى إيجاد أفضل طريقة لنقل الكهرباء.

على رأس السباق كان عالم الفيزياء والمخترع الشهير نيكولا تيسلا ، الذي طور مشروعًا ضخمًا. غير قادر على الاعتقاد في حقيقة إنشاء شبكة هائلة من الأسلاك التي تغطي جميع المدن والشوارع والمباني والغرف ، توصلت تسلا إلى استنتاج مفاده أن طريقة الإرسال الوحيدة الممكنة هي اللاسلكي. لقد صمم برجًا بارتفاع 57 مترًا تقريبًا ، كان من المفترض أن ينقل الطاقة على مسافة عدة كيلومترات ، وحتى بدأ بنائه في لونغ آيلاند. تم إجراء سلسلة من التجارب ، لكن نقص الأموال لم يسمح بإنجاز البرج. كانت فكرة نقل الطاقة عن طريق الجو منتشرة بمجرد أن أصبحت الصناعة قادرة على تطوير وتنفيذ بنية تحتية سلكية.

والآن ، قبل بضع سنوات ، استيقظت أستاذة مساعدة في قسم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، مارين سولاجيتش ، من حلم حلو من صيحات الهاتف المحمول المستمرة. يقول سولجاسيتش: "لم يتوقف الهاتف ، مطالبًا بإعداده على الشحن". متعب وليس على وشك الاستيقاظ ، بدأ يحلم أن الهاتف ، في المنزل ، يبدأ في الشحن من تلقاء نفسه.
بدأ Soljacic البحث عن طرق لنقل الطاقة بدون أسلاك. لقد تخلى عن مشاريع نقل الطاقة بعيدة المدى مثل مشروع Tesla وركز على طرق نقل الطاقة قصيرة المدى التي تسمح بالشحن أو حتى تشغيل الأجهزة المحمولة - الهواتف المحمولة وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.
في البداية ، درس إمكانية استخدام الموجات الراديوية التي تنقل المعلومات بكفاءة على مسافة بعيدة ، لكنه وجد أنه في هذه الحالة ستكون معظم الطاقة منتشرة في الفضاء. يتطلب استخدام الليزر أن يكون مصدر الطاقة والجهاز القابل لإعادة الشحن في مجال رؤية بعضهما البعض دون أي عوائق بينهما. بالإضافة إلى ذلك ، كانت هذه الطريقة محفوفة بالأضرار التي لحقت بالأشياء التي تم اكتشافها في خط النقل. لذلك ، بدأ Soljacic بالبحث عن طريقة انتقال تكون فعالة ، أي قادرة على نقل الطاقة دون تشتيتها ، وآمنة.
في النهاية ، استقر على ظاهرة اقتران الرنين ، عندما يتبادل جسمان مضبوطان على التردد نفسه الطاقة بشكل مكثف مع بعضهما البعض ، بينما يتفاعلان فقط بشكل ضعيف مع كائنات أخرى. مثال كلاسيكي على هذا التأثير هو تجربة عدة أكواب مليئة بالنبيذ لكل منها على مستوى مختلف عن البقية. ونتيجة لذلك ، يوجد لكل صوت تردد فريد من نوعه يسبب الاهتزاز. إذا أخذ المغني ملاحظة بالتردد المناسب ، يمكن أن تتلقى إحدى النظارات جرعة من الطاقة الصوتية بحيث تنهار ، بينما تبقى النظارات المتبقية سليمة.
أدرك Soljacic أن الرنين المغناطيسي هو وسيلة واعدة لنقل الكهرباء. ينتشر المجال المغنطيسي بحرية في الفضاء ، وفي الترددات الصحيحة ، لا يؤذي الكائنات الحية. من خلال العمل مع أساتذة فيزياء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جون جونوبولوس وبيتر فيشر وثلاثة طلاب ، طور جهازًا بسيطًا أضاء المصباح الكهربائي بقوة 60 واط لاسلكيًا.
يتألف الجهاز من ملفين نحاسيين مضبوطين من الرنين معلقين من السقف على مسافة حوالي مترين. تم توصيل ملف واحد بمصدر التيار المتردد وخلق مجال مغناطيسي. قام الملف الثاني الذي تم ضبطه بنفس التردد ومتصل بالمصباح ، والذي يتردد صداؤه في مجال مغناطيسي ، بتوليد تيار يشعل المصباح. كان الجهاز يعمل حتى عندما تم وضع جدار رقيق بين الملفات.

من الجدير بالذكر أن التثبيت لا يتطلب حتى خط رؤية مباشر بين المستقبل وجهاز الإرسال. كتجربة ، تم وضع ألواح من الورق المقوى والحديد بينهما ، لكن هذا لم يؤثر على إمدادات التيار.
الأكثر فاعلية من الأجهزة التي تم إنشاؤها بواسطة هذه اللحظة تتكون من لفائف النحاس 60 سم وحقل مغناطيسي مع تردد 10 ميجا هرتز. إنها تتيح لك نقل الطاقة على مسافة مترين مع كفاءة 50 في المئة. يجري البحث باستخدام الفضة والمواد الأخرى لتقليل حجم الملفات وزيادة الكفاءة. تأمل Soldacic في تحقيق كفاءة نقل بنسبة 70 إلى 80 بالمائة.

يشرح الفيزيائيون من ولاية ماساتشوستس أن مبدأ التثبيت يعتمد على آلية الرنين ، أي ظاهرة تسبب الاهتزازات في جسم ما عندما يتعرض للطاقة ذات تردد معين. ومع ذلك ، عندما يكون لكائنين مؤشرات رنين متساوية ، فيمكنهما تبادل الطاقة ، ولا يؤثر بأي حال على الكائنات المحيطة.

في الطبيعة ، هناك العديد من الأمثلة على الرنين. المثال الأكثر شهرة للرنين هو عندما يتم ملء عدة أكواب زجاجية متطابقة بكميات مختلفة من الماء ، إذا تم استغلال كل كوب بملعقة معدنية ، فسيكون كل كوب صوتًا فريدًا.

بدلاً من الرنين الصوتي ، استخدم الفيزيائيون صدى تردد الموجات الكهرومغناطيسية في WiTricity. في التثبيت ، يتردد صدى كلا الملفين في نطاق التردد البالغ 10 ميغاهرتز ويتبادلان الكهرباء ويطول التفاعل بين العناصر ، وكلما وصل التيار إلى المستقبل. علاوة على ذلك ، كلما انخفض مدى الرنين ، زاد مدى الطول الموجي الطويل كنتيجة ، وكلما زادت المسافة بين المستقبل والارسال.

عامل مهم آخر هو أن هذا الإعداد لا يلحق الضرر بصحة الإنسان ، لأنه يعمل على ترددات منخفضة ، وخاصة في الطيف المغناطيسي.

"على حد علمنا ، لا تتفاعل الكائنات البشرية مع التفاعل المغناطيسي. إذا كان ترددك ملحوظًا ، على سبيل المثال ، 2 جيجا هرتز ، فستحصل على تأثير فرن الميكروويف وسيكون ذلك تأثيرًا مختلفًا تمامًا" ، كما يقول أحد المطورين للتركيب ، Marine Soladzic.

ويجري حاليا بحث عدد من الطرق الأخرى لإعادة شحن البطاريات لاسلكيا. بدأت الشركات الناشئة مثل Powercast و Fulton Innovation و WildCharge في تسويق المحولات التي تعيد شحن الهواتف المحمولة ومشغلات MP3 وغيرها من الأجهزة في المنزل أو السيارة. لكن أسلوب Soljacic مختلف لأنه يسمح بالشحن التلقائي للأجهزة بمجرد وقوعها في مجال عمل جهاز إرسال لاسلكي.
جذبت أعمال مجموعة Soljacic انتباه الشركات المصنعة للأجهزة الإلكترونية ، وكذلك صناعة السيارات. تم تمويل هذا البحث من قبل وزارة الدفاع الأمريكية ، التي كانت تأمل في الحصول على تقنية إعادة شحن البطارية الأوتوماتيكية اللاسلكية. ومع ذلك ، يفضل Soldjacic عدم نشر حول التطبيق الصناعي المحتمل لتكنولوجيته.
يقول: "هناك العديد من التطبيقات المحتملة في عالم اليوم الذي يحركه البطارية حيث يمكن استخدام التكنولوجيا الخاصة بنا. إنها طريقة قوية للغاية."