Ток освобождённый

Новый прорыв в области беспроводной передачи электричества
У кого дальше?
Чувственное поле
Ставка на керамику
Вдохновлённые метаматериалом
Подзарядка для сердца
Юлия Шуляк    

Люди стремятся к полной независимости от проводов — это один из главных технологических трендов современности. Сначала провода «отпали» у домашних телефонов, и, вздохнув с облегчением, мы перешли на радиотрубки; потом от этих пут освободились компьютерные клавиатура и мышка. Не так давно инженеры создали устройства, способные заряжать наши гаджеты по воздуху; однако эффективны они пока только на коротких дистанциях. В начале этого года команда учёных из Санкт-Петербурга (университет ИТМО) опубликовала статью в журнале Applied Physics Letters, где представила свою версию системы беспроводной передачи электричества. Эта разработка интересна тем, что может отправлять ток дальше, чем все остальные устройства.

У кого дальше?

В 2007 году в журнале Science был описан удивительный эксперимент, который провела группа физиков-исследователей из Массачусетского технологического института (МТИ) под руководством профессора Марина Солячича. Учёные расположили в 2,5 м друг от друга две катушки медного провода. Они были настроены на одинаковую резонансную частоту, то есть обладали одинаковой периодичностью внутренних колебаний.

Первая катушка получала энергию от источника с переменным электрическим током и сама становилась источником магнитного поля, которое пронизывало вторую катушку и создавало в ней ток. А он, в свою очередь, заставлял гореть 60-ваттную лампочку, установленную на второй катушке.
После этой публикации в средствах массовой информации вовсю заговорили о таком чуде науки и техники, как

беспроводная передача электричества,

однако преодолеть расстояние в 2,5 м по воздуху ток смог только в лабораторных условиях при помощи металлических катушек внушительного размера.
Когда же учёные из МТИ попытались миниатюризировать эту технологию, дальность передачи электричества составила всего 10 см. В 2015 году физики из питерского Университета ИТМО повторили эксперимент — с некоторыми модификациями — и в результате увеличили расстояние передачи тока по воздуху в три раза.
Учёные постоянно совершенствуют технологию и прогнозируют, что скоро создадут компактное зарядное устройство, действующее в пределах нескольких метров.

Никола Тесла
Изобретатель, мечтатель, «человек, который изобрёл XX век». Он показал, как передавать радиосигналы и энергию на большие расстояния, создал трансформатор, разработал проекты самолётов и электромобилей, которыми можно управлять дистанционно. Тесла построил знаменитую башню-радиостанцию Уорденклифф, но спонсоры не нашли ей практического применения и расторгли контракт.

Чувственное поле


Безусловно, Солячич не первооткрыватель в этом деле. Его опыты в некотором роде повторение эксперимента известного физика Николы Тесла, который ещё в 1894 году смог зажечь фосфорную лампу накаливания посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции.

Так выглядит катушка Тесла, резонансный трансформатор, генерирующий ток высокого напряжения. Запатентовано устройство было в 1894 году.

— Тесла первым предложил идею, на которой основаны нынешние все трансформаторы: энергию можно передавать не дальним, а ближним полем — тем, что находится в небольшом радиусе от источника, — говорит Иван Иорш, кандидат физико-математических наук, доцент лаборатории метаматериалов Университета ИТМО, участник группы по созданию системы беспроводной передачи электричества. — Ближнее электромагнитное поле устроено так, что не покидает область вокруг объекта и может хранить в нём много запасённой энергии. К сожалению, электрическое поле быстро ослабевает с увеличением расстояния. Но Солячич как раз показал, что, если мы установим два маятника, способных запасать много энергии, поле может усилиться, потому что будет «чувствовать», что где-то там его ждёт второй резонатор.

— Если уже в XIX веке люди знали о возможности беспроводной передачи электроэнергии, то почему не разрабатывали соответствующие технологии? — робко интересуюсь я.

— Никола Тесла создавал инновации, к которым общество было не готово.

Многие его идеи получили развитие только сейчас и воспринимаются как новые, в том числе это относится к беспроводной передачи электроэнергии. Если бы общество сразу приняло его разработки, вы бы к нам не на транспорте добирались, а просто телепортировались, — шутит Иван.

— Нам понравилась идея учёных из МИТ, и мы стали думать, как усовершенствовать эту технологию с помощью наших метаматериалов — улучшить способ передачи, — вступает в разговор Полина Капитанова, кандидат технических наук, руководитель проекта. — Но работу с метаматериалами мы оставили напоследок, а вначале решили заменить медные катушки на диэлектрические резонаторы.

Метаматериал
композиционный материал, как правило состоящий из нескольких естественных или искусственных компонентов. Композиты подразделяются на разные классы, наиболее популярен сегодня класс нанокомпозитов, используемых при создании электронных гаджетов.

Ставка на керамику


Металлические катушки не очень эффективны: при приложении к ним электрического поля они сильно греются и отдают в пространство много тепла, а значит, попросту теряют электроэнергию, тогда как её нужно передавать… по воздуху. В поисках материала, который мог бы заменить в эксперименте медь, учёным помогли работы немецкого физика Густава Ми, ставившего опыты с диэлектриками — веществами, плохо проводящими электрический ток (их часто называют изоляторами). Описывая их свойства, Ми отметил, что в диэлектрических частицах могут возникать резонансы, способные запасать много энергии, а в диэлектрической частице сферической формы таких резонансов может быть бесконечное множество.

Шарики — это керамические резонаторы. Учёные из университета ИТМО планируют использовать их для создания беспроводных зарядных устройств.

— Мы тут же стали перебирать диэлектрики, которые нас окружают: дерево, стекло… — рассказывает Полина. — Ещё стоит учитывать, что в наши задачи входило создание миниатюрных резонаторов. Ведь чтобы технология стала применимой в быту и востребованной, её нужно внедрять в мобильные устройства.

— И на чём же вы остановились?

— Прочитав статью Елизаветы Ненашевой, сотрудника НИИ «Гириконд», о керамических элементах для микроволновой техники, мы решили сделать ставку на керамику: резонаторы из этого материала почти не теряют электроэнергию, не боятся сильного нагрева и обладают большой ёмкостью.

— И правда, поэтому их используют в микрофонах, радиолокаторах, микроволновках…

— А также в космических кораблях и высокомощной военной электронике, — добавляет Иван. — Если понадобится бомбануть Тесла-пушкой, в ней должны быть мощные компоненты, иначе они не выдержат нагрузку и расплавятся.

Вдохновлённые метаматериалом


Без разделения труда эффективной работы не получится — физики из ИТМО помнят об этом правиле. Иван Иорш отвечает за теоретическую часть исследования, Полина Капитанова — за проведение эксперимента, а инженер Минчжао Сун, приехавший из Китая на стажировку, — за электродинамическое моделирование.
Я в лаборатории метаматериалов, наблюдаю за работой учёных.

Минчжао кладёт на стол два одинаковых серых керамических шарика по два сантиметра в диаметре

Каждый из них, словно чупа-чупс, закреплён на держателе и подсоединён проводами к своему аппарату. На моих глазах происходит чудо: подаётся напряжение, и светодиодная лампочка на втором держателе начинает светиться. Второй шарик с лампочкой получает энергию от первого без каких-либо проводов на расстоянии 10 см. Но чем больше физик отдаляет шарики друг от друга, тем тусклее светит лампочка. Минчжао достаёт кусок пенопласта и кладёт на него шарики. Сверху к пенопласту прилажено множество отрезков тонкой проволоки — все они одинаковой длины и закреплены параллельно друг другу на равном расстоянии. Инженер начинает двигать по пенопласту шарик с лампочкой, удаляя его от первого на 15 см, затем на 20, 25, 30… На 30 см лампочка продолжает гореть так же ярко, как и прежде.

Когда резонаторы помещают на метаматериал, система начинает действовать эффективнее: расстояние, на которое передаётся энергия, увеличивается в разы.

Как это работает? Один аппарат, подсоединённый к керамическому шарику, — это векторный анализатор, который посылает электрический сигнал по проводу на второй аппарат — усилитель мощностью 1 Вт. Тот, соответственно, усиливает сигнал, и дальше ток поступает на держатель второго шарика — диэлектрического резонатора. Он заряжается и по воздуху посылает электричество на первый шарик. А дальше как в опыте американских учёных с катушками. С одной оговоркой: чтобы лампочка горела, на втором держателе установлена схема преобразования переменного тока в постоянный.

— Что это за кусок пенопласта? — спрашиваю я Полину, внимательно изучая конструкцию.

— Это и есть наш метаматериал — метаповерхность. По сути, очень простая вещь — пенопласт с тонкими металлическими проводами, расположенными в нужной геометрии. Эти отрезки проволочек — так называемые антенники. Помните антенны советских телевизоров? Чтобы канал транслировался без помех, нужно было крутить антенну, поднимать, опускать её, пока не поймаешь сигнал. Антеннки в метаматериале тоже нужно сделать заданной длины и расположить особым образом, чтобы точно направить сигнал, передаваемый от одного керамического шарика другому.

— И что, действительно такое простое устройство — кусок пенопласта с проводочками — усиливает эффективность эксперимента?

— В данном случае использование метаповерхности помогло увеличить радиус передачи электроэнергии с 10 см до 30. Причём неважно, сколько лампочек или телефонов вы пожелаете зарядить. Представьте, что этот метаматериал встроен в ваш рабочий стол, — Полина похлопывает по столешнице. — Вы кладёте на него и подзаряжаете разом и свой лэптоп, и планшет, и телефон друга, который зашёл в гости.

— Сложно изготовить такой метаматериал?

— Нет, любой студент-физик сделает его за полчаса. Нужно только нарезать проводки и упорядочить их в диэлектрической матрице.

Сейчас в научной среде популярно выражение «metamaterial inspired», что переводится как «вдохновлённый метаматериалом». Можно подобрать нужную структуру метаматериала и управлять распределением электромагнитного поля в заданной области пространства. Это находит применение в разных отраслях: от пока ещё разрабатываемых плащей-невидимок для военной техники до абсолютно реальных и эффективных солнечных батарей.

Подзарядка для сердца

Лабораторная система беспроводной передачи электричества ИТМО пока выглядит весьма громоздко, однако разработчики уверяют, что в скором времени она станет миниатюрной, и дело это несложное.

— Анализатор и усилитель заменим компактной электроникой, чтобы разместить на печатной плате или в корпусе устройства, например мобильного телефона. Это можно сделать хоть сейчас, — поясняет Полина. — В свободной продаже уже есть мизерные генераторы, усилители и выпрямители сигналов. Источник электрического тока будет подключён к розетке, постоянный сигнал переведён в переменный; переменный сигнал усилится и пойдёт на резонатор излучателя, а тот пошлёт его на мобильное или другое устройство, чтобы его подзарядить.

Беспроводные зарядки для телефонов уже есть в некоторых аэропортах и ресторанах.

Правда, такой мобильный должен иметь встроенный зарядный модуль с медной спиральной катушкой или чехол с таким модулем. А сама беспроводная зарядка пока похожа на базу для домашнего радиотелефона, поэтому мобильный туда нужно именно ставить — вертикально, в гнездо, что создаёт некоторые неудобства.

— Керамические резонаторы позволяют обойти это ограничение, а метаматериал увеличивает дистанцию между приёмником и передатчиком. В идеале же беспроводная передача электричества должна уподобиться вай-фаю, — Полина встаёт со стула и достаёт смартфон из кармана джинсов. — Хочется, чтобы ты заходил в комнату и не думал, заряжается телефон или нет, а твёрдо знал, что заряжается.

Устройства для беспроводной подзарядки гаджетов уже продаются. Но у них есть много ограничений, главное — они не работают, если аппарат находится далеко.

— Вообще, у нас есть очень хорошая идея по усовершенствованию беспроводной передачи электричества. До завершения экспериментов и публикации результатов я не могу раскрывать подробности, но постараюсь передать суть, — интригует Полина. — Мы ищем материал, который ещё слабее, чем керамика, взаимодействует с электрическим полем. Это позволит спуститься на низкие частоты.
Пока наша система работает на частоте 2,4 ГГц, в то время как рабочая частота мобильных устройств значительно ниже. Зачем это нужно? Во-первых, есть стандартны безопасности. Тело человека при работе с электронными устройствами не должно нагреваться за час больше чем на два градуса, поэтому мы работаем с магнитным полем как менее вредным для организма. Во-вторых, на низких частотах работает вся дешёвая потребительская электроника. И нужно адаптировать под неё свои разработки, ведь мы хотим выйти на массовое производство и принести реальную пользу.

Беспроводным способом можно будет заряжать имплантаты внутри человеческого организма. Например, вшиваемые кардиостимуляторы. Датчикам браслетов, измеряющих пульс, и очкам дополненной реальности тоже нужна подзарядка. Можно встроить зарядные модули в одежду и подпитывать всю электронику разом.
Источники

Публикация группы учёных ИТМО Mingzhao Song, Ivan Iorsh, Polina Kapitanova et al. Wireless power transfer based on magnetic quadrupole coupling in dielectric resonators // Applied Physics Letters. Published online 12 Jan. 2016.

Иллюстрации

www.shutterstock.com