Освобожденное электричество: Питание
Беспроводная передача электричества на расстоянии известна с тех пор, как в 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. На этом принципе работает множество приборов, однако массово использовать его в быту именно для передачи энергии без проводов человечество начало только в конце двадцатого века. А сегодня мы стоим на пороге серьезного прорыва, который сделает нас еще немного свободнее.
Экспериментируя с магнитами, Фарадей ставил перед собой конкретную цель: добыть электричество с помощью магнетизма. Ученый воспринимал магниты как источник электроэнергии — и его опыты увенчались успехом 29 августа 1831 года, по крайней мере если верить дате, указанной в дневнике. Фарадей доказал, что при изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и лежит сегодня в основе большинства способов беспроводной передачи электроэнергии.
Магнитное поле
На данный момент существует несколько стандартов, которые уже действуют и позволяют производителям выпускать готовые решения. Существует множество конкурирующих объединений, каждое из которых предлагает свой стандарт беспроводной передачи электричества. Три крупнейших из них — это WPC, PMA и A4WP.
WPC (Wireless Power Consortium, «Консорциум беспроводной энергии») пропагандирует стандарт Qi («чи», или «ци» — жизненная сила в китайской философии). Технология весьма проста — «передатчик» генерирует переменное магнитное поле, а «приемник» в мобильном устройстве превращает его в электрический ток. Консорциум был основан в 2008 году в Гонконге, спустя полтора года опубликовал первые технические спецификации и требования стандарта, а сейчас в него входят 109 крупнейших мировых компаний в области энергетики, производства компактных устройств, батарей, микропроцессоров — от Energizer и Denso Corporation до Nokia и Sony. Уже сегодня зарядные станции WPC установлены более чем в сотне популярных общественных мест Японии; любое устройство, оснащенное модулем, поддерживающим этот стандарт, может заряжаться везде, где есть станция, обозначенная специальным значком.
Qi позволяет заряжать только гаджеты, которым не требуется мощность более 5Вт. Однако WPC уже разрабатывает среднемощные передатчики (до 120 Вт); развитие этого направления позволит питать без проводов и ноутбуки, и современные телевизоры с большой диагональю, и прочие бытовые приборы.
Второй крупный игрок на этом рынке — Power Matters Alliance, созданный в рамках одной из программ Международного института инженеров электротехники и электроники (IEEE Standards Association Industry Connections Program). PMA объединил в своих рядах крупные компании, которые занимаются (в числе прочего) разработкой нового стандарта беспроводной передачи электроэнергии. Уже сейчас есть результаты, которые позволяют PMA на равных конкурировать с WPC — тем более что играют они на одном поле, используя один и тот же принцип. Powermat и Procter&Gamble, входящие в PMA, в сентябре 2011 года объединились и создали компанию Duracell Powermat. Ауже в феврале 2012 года было представлено готовое решение — устройство Wireless Charging Card (WiCC), похожее на обычную SD-карту. Собственно, это и есть карта памяти со встроенной технологией NFC, превращающая любой подходящий гаджет в беспроводной. В ней шесть контактов: два для питания, два для передачи данных и два для NFC. Подобное устройство, достаточно тонкое и легкое, можно при минимальном содействии производителей адаптировать к уже выведенным на рынок продуктам, лишь немного скорректировав размер и форму батареи.
Программа действий у Powermat та же, что и у WPC: выход на аэропорты (компания Arconas), арены и стадионы (компания Madison Square Garden), университеты (Bretford). Duracell Powermat появился не так давно, однако быстро развивается, и уже в начале лета 2012 года начнутся продажи готовых продуктов — зарядных ковриков. Вскоре появятся автомобили от General Motors — еще одного члена PMA, — оснащенные беспроводными зарядными устройствами для гаджетов. Магазины будут продавать офисную мебель с встроенными продуктами Powermat от компании Teknion.
Наконец, буквально в мае компании Samsung и Qualcomm основали третий альянс Alliance for Wireless Power (A4WP). Представители A4WP пока «отделываются» только громкими, хотя и уклончивыми заявлениями, но авторитет и репутация Samsung и Qualcomm позволяют верить в то, что реализация их технологий не за горами.
С помощью света
Электромагнитная индукция не единственный метод передачи энергии на расстоянии, существуют и другие способы. В 2009 году в конкурсе NASA по беспроводной передаче энергии победила технологическая группа, использовавшая 500-ваттный лазерный луч. КПД передачи на 1 км составлял около 10%. Экономным такой метод не назовешь, и это при том, что у технологии есть целый ряд ограничений, начиная от громоздкости и сложности оборудования и заканчивая тем фактом, что приемник должен находиться в зоне прямой видимости передатчика.
Тем не менее эта технология дает возможность гарантированно передавать энергию на достаточно большие расстояния, причем адресно — от точки до точки. Легко представить ситуации, когда проще не тянуть провода на сотни метров в неблагоприятных условиях, а просто установить передатчик и приемник и отправлять энергию напрямую. Перед этой технологией открываются перспективы в космической области (именно поэтому ею и интересуется NASA).
А компания PowerBeam уже сегодня готова осуществить беспроводное освещение квартир, зарядку телефонов и крупных бытовых приборов. Их методика основана на инфракрасном лазерном луче, переносящем электроэнергию от передатчика к приемнику. PowerBeam предлагает три варианта решения — передача 100 мВт (наушники, игровые контроллеры, датчики дыма), 2,5 Вт (смартфоны, КПК, нетбуки, беспроводные колонки) и 10 Вт (ноутбуки, LED-телевизоры, цифровые фоторамки). Технология позволяет питать устройства на расстоянии до 30 м. В случае, если на пути луча встанет человек или животное, обратная связь (менее мощный луч от приемника к передатчику) автоматически выключит питание.
По звуку
В июне 2011 года две студентки Пенсильванского университета — Мередит Перри и Нора Дуэк — продемонстрировали на технической конференции D9, проводимой The Wall Street Journal, способ передачи электричества с помощью ультразвука. Пока что результаты не слишком впечатляют: им удалось передать полезную мощность всего в 0,25 Вт на расстояние чуть меньше одного метра. Кроме того, эта энергия «транслируется» не адресно, а широким лучом, и во время презентации авторы указали, что лучшим местом для установки передатчика будет потолок комнаты. Тем не менее этот способ имеет интересные перспективы. Он безопасен для человека и может использоваться в тех случаях, когда другие способы невозможны — например, в жидких проводящих средах, скажем, для питания различных датчиков на дне акватории или имплантатов в человеческом организме.
В данный момент технология уже получила название — uBeam, создана одноименная компания и проводятся исследования, причем некоторые источники (в том числе журнал Forbes и руководство агентства DARPA) cчитают их многообещающими. Предполагается, что в ближайшее время будет достигнута мощность передачи в 25 Вт.
Микроволны
Применение сверхвысоких частот для передачи электроэнергии — это относительно несложно. Любой обладатель микроволновой печи может (с риском для прибора и пробок) положить в камеру металлический предмет — например, простую стальную вилку — и увидеть, как будут искрить зубцы. Но применять этот эффект можно не только для опасных фокусов, но и на благо всего человечества: в данный момент разрабатывается несколько глобальных проектов, в которых предполагается развертывание в космосе станций, аккумулирующих солнечную энергию и передающих ее на Землю в виде узкого пучка микроволн.
Подобный принцип неоднократно демонстрировался в лаборатории. Известен опыт американского физика Уильяма Брауна, который в 1976 году передал СВЧ-пучком энергию мощностью 30 кВт на расстояние более 1,5 км. В качестве приемника при таком методе применяется так называемая ректенна (rectifying antenna, выпрямляющая антенна), способная преобразовывать энергию улавливаемой волны в электроэнергию (сегодня ректенны используются, например, для радиочастотной идентификации, RFID). Но есть у данного метода недостатки. Например, чтобы передать с орбиты 5 ГВт, придется построить наверху передающую антенну диаметром в 1 км, а на Земле — 10-километровый приемник.
Что же лучше?
Самая реалистичная из всех технологий — электромагнитная индукция. Однако ее широкое распространение пока сдерживается определенными факторами — в частности, небольшими расстояниями (до 4−5 см между катушками передатчика и приемника) и мощностями. Ведутся эксперименты по масштабированию технологии, однако тут уже начинают возникать вопросы безопасности для здоровья.
Технологии передачи электричества с помощью инфракрасного лазера и ультразвука, скорее всего, будут развиваться и наверняка найдут свои узкие ниши — вполне возможно, даже в быту. Орбитальные спутники с огромными солнечными батареями потребуют другого подхода — там уже будет иметь значение возможность прицельной передачи электроэнергии, а значит, в дело вступят СВЧ или лазер. Идеального решения пока не существует, но есть много вариантов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
«Чистая» заправка
Гибридные автомобили, по мнению многих экспертов, всего лишь переходный этап на пути к электромобилям. Однако больное место электромобилей — это небольшой запас хода. Какой смысл в транспортных средствах, привязанных к розетке?
Решить эту проблему призвана технология WPC eCoupled, которая заряжает батареи электромобиля прямо на парковке без всяких проводов с обязательной обратной связью. Уже существует несколько поддерживающих этот стандарт электромобилей: Rolls-Royce Phantom 102 EX, а также модифицированный Nissan Leaf. Свои стандарты беспроводной зарядки разрабатывают и BMW (совместно с Siemens), а также Audi, Mitsubishi и Toyota в сотрудничестве с американской компанией WiTricity и General Electric. Кроме того, американская компания Energy Dynamics Laboratory разрабатывает технологию HCWPT, которая позволит заряжать автомобили не только на парковке, но и прямо в движении — от катушек, проложенных под дорогой.
Автомобиль теслы
Говоря о беспроводной передаче энергии, конечно же, невозможно не отметить работы Николы Теслы, который был буквально одержим этой идеей. Его чрезвычайно эффектные эксперименты с гигантскими молниями в Колорадо-Спрингс и Лонг-Айленде, где он построил свою знаменитую башню Wardenclyffe, послужили пищей для многочисленных мифов о его достижениях. Он действительно был одним из пионеров радиосвязи, которая формально является способом передачи энергии без проводов, но успехи его в адресной передаче высоких мощностей, несмотря на внешнюю эффектность, между тем были довольно скромными. С современных позиций это даже не было беспроводной передачей — Тесла собирался использовать высокочастотный ток и ионосферу в качестве волновода.
Одна из самых красивых историй о беспроводной передаче электроэнергии — это электромобиль Николы Теслы. Согласно легенде, летом 1931 года в Буффало (США) Тесла извлек из обычного автомобиля бензиновый двигатель, установил на его место электрический, в ближайшем магазине, торгующем деталями, купил 12 радиоламп, провода и горсть резисторов. Из этого он соорудил коробку с парой торчащих на 7,5 см стержней, которую подсоединил к электродвигателю. Закрепив устройство за сиденьем водителя, Тесла выдвинул стержни и сказал: «Теперь у нас есть энергия!» После этого он в течение недели колесил по Буффало на своем электромобиле, а на вопрос, откуда берется энергия, отвечал: «Из эфира». Когда же собеседники Теслы выразили недоверие и заподозрили его в мистификации, он уничтожил устройство. История обросла множеством подробностей — известны все физические характеристики коробочки, вплоть до диаметра штырей, однако принципы работы так и остались невыясненными. Правда, скорее всего, это миф, поскольку Тесла был не только прекрасным инженером, но и известным мистификатором
