Elektriciteit zonder draden. Op weg naar een nieuwe wereld van draadloze elektriciteit

Aan het einde van de 19e eeuw veroorzaakte de ontdekking dat elektriciteit kon worden gebruikt om een ​​gloeilamp te laten gloeien een explosie van onderzoek gericht op het vinden van de beste manier om elektriciteit over te dragen.

Aan het hoofd van de race stond de beroemde natuurkundige en uitvinder Nikola Tesla, die een grandioos project ontwikkelde. Niet in staat om te geloven in de realiteit van het creëren van een kolossaal netwerk van draden die alle steden, straten, gebouwen en kamers bedekken, kwam Tesla tot de conclusie dat de enige realiseerbare transmissiemethode draadloos is. Hij ontwierp een toren van ongeveer 57 meter hoog, die over een afstand van vele kilometers energie moest overbrengen, en begon deze zelfs op Long Island te bouwen. Een reeks experimenten werd uitgevoerd, maar het gebrek aan geld stond de voltooiing van de toren niet toe. Het idee om energie door de lucht te transporteren werd verspreid zodra bleek dat de industrie een bekabelde infrastructuur kon ontwikkelen en implementeren.

En nu, een paar jaar geleden, werd universitair hoofddocent van het Department of Physics aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), Marin Soljačić, gewekt uit een zoete slaap door de aanhoudende kreten van een mobiele telefoon. "De telefoon stopte niet en eiste dat ik hem liet opladen", zegt Soljacic. Moe en niet van plan om op te staan, begon hij te dromen dat de telefoon, thuis, op zichzelf begon op te laden.
Soljacic begon onderzoek naar manieren om energie over te dragen zonder draden. Hij verliet langeafstandsprojecten voor energietransmissie zoals het Tesla-project en concentreerde zich op korteafstandsmethoden voor energietransmissie waarmee draagbare apparaten konden worden opgeladen of zelfs konden worden ingeschakeld - mobiele telefoons, PDA's, laptops.
Aanvankelijk overwoog hij de mogelijkheid om radiogolven te gebruiken die informatie zo efficiënt op afstand overbrengen, maar ontdekte dat in dit geval de meeste energie in de ruimte zou worden verspreid. Het gebruik van een laser vereist dat de energiebron en het oplaadbare apparaat zich in het gezichtsveld van elkaar bevinden zonder obstakels daartussen. Bovendien was deze methode beladen met schade aan objecten gevangen in de transmissielijn. Daarom begon Soljacic te zoeken naar een transmissiemethode die zowel effectief zou zijn, dat wil zeggen in staat om energie over te dragen zonder deze te verspreiden, en veilig.
Uiteindelijk ging hij uit van het fenomeen van resonerende koppeling, toen twee op dezelfde frequentie afgestemde objecten intensief energie met elkaar uitwisselden, terwijl ze slechts zwak interactie aangingen met andere objecten. Een klassieke illustratie van dit effect is de ervaring met verschillende glazen gevuld met wijn, elk op een ander niveau dan de rest. Als gevolg hiervan is er voor elk glas een unieke geluidsfrequentie die trillingen veroorzaakt. Als de zanger de juiste frequentie noteert, kan een van de glazen een zodanige dosis akoestische energie ontvangen dat deze afbrokkelt, terwijl de resterende glazen intact blijven.
Soljacic besefte dat magnetische resonantie een veelbelovende manier is om elektriciteit over te dragen. Het magnetische veld verspreidt zich vrij in de ruimte en is op de juiste frequenties onschadelijk voor levende wezens. In samenwerking met John Joannopoulos, Peter Fisher en drie studenten van MIT natuurkunde, ontwikkelde hij een eenvoudig apparaat dat een gloeilamp van 60 watt draadloos verlichtte.
Het apparaat bestond uit twee op resonantie afgestemde koperen spoelen die op een afstand van ongeveer twee meter aan het plafond waren opgehangen. Eén spoel werd aangesloten op een wisselstroombron en creëerde een magnetisch veld. Een tweede spoel afgestemd op dezelfde frequentie en verbonden met de lamp, resonerend in een magnetisch veld, genereerde een stroom die de lamp ontstak. Het apparaat werkte zelfs wanneer een dunne wand tussen de spoelen werd geplaatst.

Het is opmerkelijk dat de installatie niet eens een directe gezichtslijn vereist tussen de ontvanger en de zender. Als een experiment werden er kartonnen en ijzeren platen tussen geplaatst, maar dit had geen invloed op de stroomtoevoer.
De meest effectieve van de apparaten die op dit moment worden gemaakt, bestaat uit koperen spoelen van 60 centimeter en een magnetisch veld met een frequentie van 10 megahertz. Hiermee kunt u energie over een afstand van twee meter overbrengen met een efficiëntie van 50 procent. Er wordt onderzoek gedaan met zilver en andere materialen om de grootte van spoelen te verminderen en de efficiëntie te verhogen. Soldacic hoopt een transmissie-efficiëntie van 70-80 procent te bereiken.

Natuurkundigen uit Massachusetts leggen uit dat het principe van de installatie is gebaseerd op het resonantiemechanisme, dat wil zeggen een fenomeen dat trillingen in een object veroorzaakt wanneer het wordt blootgesteld aan energie van een bepaalde frequentie. Wanneer twee objecten echter gelijke resonantie-indices hebben, kunnen ze energie uitwisselen en op geen enkele manier de omliggende objecten beïnvloeden.

In de natuur zijn er veel voorbeelden van resonantie. Het meest bekende voorbeeld van resonantie is wanneer verschillende identieke glazen glazen worden gevuld met verschillende hoeveelheden water, als elk glas met een metalen lepel wordt getikt, maakt elk glas een uniek geluid.

In plaats van akoestische resonantie, gebruikten natuurkundigen frequentieresonantie van elektromagnetische golven in WiTricity. In de installatie resoneren beide spoelen in het frequentiebereik van 10 MHz en wisselen elektriciteit uit en hoe langer de interactie tussen de elementen, hoe meer stroom er bij de ontvanger aankomt. Bovendien, hoe lager het resonantiebereik, des te groter het bereik van de lange golflengte als resultaat en hoe groter de afstand tussen de ontvanger en de zender kan zijn.

Een andere belangrijke factor is dat deze opstelling geen schade toebrengt aan de menselijke gezondheid, omdat deze bij lage frequenties voornamelijk in het magnetische spectrum werkt.

"Voor zover we weten, reageren menselijke organismen niet op magnetische interactie. Als je frequentie merkbaar was, bijvoorbeeld 2 GHz, dan zou je het effect van een magnetron krijgen en dat zou een heel ander effect zijn geweest", zegt een van de ontwikkelaars van de installatie, Marine Soladzic.

Een aantal andere manieren om batterijen draadloos op te laden worden momenteel onderzocht. Startups zoals Powercast, Fulton Innovation en WildCharge zijn begonnen met het op de markt brengen van adapters die draadloos mobiele telefoons, MP3-spelers en andere apparaten thuis of in de auto opladen. Maar de benadering van Soljacic is anders omdat apparaten automatisch kunnen worden opgeladen zodra ze in het werkveld van een draadloze zender vallen.
Het werk van de Soljacic-groep trok de aandacht van bedrijven die elektronische apparaten fabriceren, evenals de auto-industrie. Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Defensie, dat hoopte op draadloze automatische oplaadtechnologie voor batterijen. Soldjacic verspreidt zich echter liever niet over de mogelijke industriële toepassing van zijn technologie.
Er zijn zoveel potentiële toepassingen in de batterij-aangedreven wereld van vandaag waar onze technologie kan worden gebruikt, "zegt hij." Het is een zeer krachtige methode. "