El utan ledningar. Mot en ny värld av trådlös elektricitet

I slutet av 1800-talet upptäckte upptäckten att el skulle kunna användas för att göra en glödlampa en glödande explosion som syftade till att hitta det bästa sättet att överföra elektricitet.

I spetsen stod den berömda fysikern och uppfinnaren Nikola Tesla, som utvecklade ett grandios projekt. Tesla kunde inte tro på verkligheten att skapa ett kolossalt nätverk av ledningar som täcker alla städer, gator, byggnader och rum, att den enda genomförbara överföringsmetoden är trådlös. Han designade ett torn som var cirka 57 meter högt, vilket var tänkt att överföra energi över ett avstånd på många kilometer och började till och med bygga det på Long Island. En serie experiment genomfördes, men bristen på pengar tillät inte slutförandet av tornet. Idén att överföra energi med flyg sprids så snart det visade sig att industrin kunde utveckla och implementera en trådbunden infrastruktur.

Och nu, för några år sedan, väcktes docent vid Institutionen för fysik vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), Marin Soljačić, från en söt dröm av en insisterande rop från en mobiltelefon. "Telefonen stannade inte och krävde att jag ställde in den för att ladda," säger Soljacic. Trött och inte på väg att resa upp började han drömma om att telefonen, när han var hemma, börjar ladda på egen hand.
Soljacic inledde forskning om sätt att överföra energi utan ledningar. Han övergav långväga energiförsörjningsprojekt som Tesla-projektet och fokuserade på energistransmissionsmetoder med kort räckvidd som skulle möjliggöra laddning eller till och med slå på bärbara enheter - mobiltelefoner, handdatorer, bärbara datorer.
Till en början övervägde han möjligheten att använda radiovågor som överför information så effektivt på avstånd, men fann att i detta fall mest energi skulle spridas i rymden. Användningen av en laser krävde att energikällan och den laddningsbara anordningen var i synfältet av varandra utan några hinder mellan dem. Dessutom var denna metod full av skador på föremål som fångats i transmissionslinjen. Därför började Soljacic leta efter en överföringsmetod som skulle vara både effektiv, dvs kapabel att överföra energi utan att sprida den, och säker.
Till slut nöjde han sig med fenomenet resonanskoppling, när två föremål som stämts in på samma frekvens intensivt utbyter energi med varandra, medan han bara interagerar svagt med andra objekt. En klassisk illustration av denna effekt är upplevelsen med flera glas fyllda med vin vardera till en annan nivå än resten. Som ett resultat finns det för varje glas en unik ljudfrekvens som orsakar vibrationer. Om en sångare noterar den lämpliga frekvensen, kan ett av glasögonen få en sådan dos av akustisk energi att det kommer att smulas, medan de återstående glasögonen kommer att förbli intakta.
Soljacic insåg att magnetresonans är ett lovande sätt att överföra el. Magnetfältet sprider sig fritt i rymden och är vid rätt frekvenser ofarligt för levande saker. I samarbete med MIT-fysikprofessorerna John Joannopoulos och Peter Fisher och tre studenter utvecklade han en enkel enhet som tände en 60-watts glödlampa trådlöst.
Enheten bestod av två resonansinställda kopparspolar upphängda från taket på ett avstånd av cirka två meter. En spole var ansluten till en växelströmskälla och skapade ett magnetfält. En andra spole inställd på samma frekvens och ansluten till glödlampan, som resonerar i ett magnetfält, genererade en ström som antändde glödlampan. Enheten fungerade även när en tunn vägg placerades mellan spolarna.

Det är anmärkningsvärt att installationen inte ens behöver en direkt siktlinje mellan mottagaren och sändaren. Som ett experiment placerades kartong och järnplåtar mellan dem, men detta påverkade inte strömförsörjningen.
Det mest effektiva av enheterna som skapas i detta ögonblick består av 60 centimeter kopparspolar och ett magnetfält med en frekvens på 10 megahertz. Det låter dig överföra energi över ett avstånd av två meter med 50 procent effektivitet. Forskning bedrivs med silver och andra material för att minska spolens storlek och öka effektiviteten. Soldacic hoppas kunna uppnå 70-80 procent överföringseffektivitet.

Fysiker från Massachusetts förklarar att principen för installationen är baserad på resonansmekanismen, det vill säga ett fenomen som orsakar vibrationer i ett objekt när det utsätts för energi med en viss frekvens. Men när två objekt har lika resonansindex, kan de utbyta energi och inte på något sätt påverka de omgivande föremålen.

I naturen finns det många exempel på resonans. Det mest kända exemplet på resonans är när flera identiska glasglas fylls med olika mängder vatten, om varje glas tappas med en metallsked, kommer varje glas att göra ett unikt ljud.

Istället för akustisk resonans använde fysiker frekvensresonans för elektromagnetiska vågor i WiTricity. I installationen resonerar båda spolarna i frekvensområdet 10 MHz och byter el och ju längre samspelet mellan elementen är, desto mer ström kommer till mottagaren. Dessutom, ju lägre resonansområdet, desto mer lång våglängdsområde erhålles som ett resultat och desto större kan avståndet mellan mottagaren och sändaren vara.

En annan viktig faktor är att denna inställning inte skadar människors hälsa, eftersom den arbetar med låga frekvenser främst i det magnetiska spektrumet.

"Så vitt vi vet reagerar inte mänskliga organismer på magnetisk interaktion. Om din frekvens noterades, till exempel 2 GHz, skulle du få effekten av en mikrovågsugn och det skulle vara en helt annan effekt," säger en av utvecklarna av installationen, Marine Soladzic.

Ett antal andra sätt att ladda batterier trådlöst undersöks för närvarande. Startups som Powercast, Fulton Innovation och WildCharge har börjat marknadsföra adaptrar som tillåter trådlös laddning av mobiltelefoner, MP3-spelare och andra enheter hemma eller i bilen. Men Soljacics inställning är annorlunda genom att den tillåter automatisk laddning av enheter så snart de faller in i handlingsområdet för en trådlös sändare.
Soljacic-gruppens arbete väckte uppmärksamhet hos företag som tillverkar elektroniska apparater såväl som bilindustrin. Forskningen finansierades av det amerikanska försvarsdepartementet, som hoppades få trådlös automatisk batteriladdningsteknologi. Emellertid föredrar Soldjacic att inte sprida den möjliga industriella tillämpningen av sin teknik.
Det finns så många potentiella applikationer i dagens batteridrivna värld där vår teknik kan användas, säger han. "Det är en mycket kraftfull metod."