Σε ασύρματη – σταθερή και αποτελεσματική – φόρτιση από απόσταση υπόσχεται να οδηγήσει μια νέα προσέγγιση ερευνητών

Τεχνική που περιλαμβάνει συμβολή κυμάτων μπορεί να βελτιώσει την πρακτικότητα της φόρτισης ενός κινητού ασύρματα και σε ορισμένη απόσταση από την πηγή ενέργειας.

Μπορείτε να φορτίσετε το κινητό σας σε μια «βάση φόρτισης» εάν δεν θέλετε να το συνδέσετε και στο μέλλον, μπορεί ακόμη και να μην πρέπει να το ακουμπάτε στη βάση. Ωστόσο, μια μεγάλη πρόκληση για την ασύρματη φόρτιση από μακρινή απόσταση είναι η δυσκολία της σταθερής μεταφοράς από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ενός επαρκούς ποσού ενέργειας, στην μπαταρία. Πρόσφατα, ερευνητές επέδειξαν μια νέα ιδέα που λύνει αυτό το πρόβλημα και που έχει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες λύσεις. Προσεκτικά επιλεγμένα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στάλθηκαν από το κύκλωμα της μπαταρίας για να συμβάλουν με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία στην κεραία δέκτη με τρόπο που βελτιώνει την απόδοση της μεταφοράς και θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο πρακτική ασύρματη φόρτιση από μακρινή απόσταση.

Η ασύρματη μεταφορά ενέργειας σε αποστάσεις μεγαλύτερες από λίγα εκατοστά θα είναι χρήσιμη για κινητούς ηλεκτρονικούς καταναλωτές, ηλεκτρικά οχήματα και ιατρικά εμφυτεύματα. Έχουν υπάρξει ορισμένες πειραματικές επιδείξεις συστημάτων πρωτότυπων, όμως είναι ακόμη δύσκολο να μεταφερθεί ισχύς, σταθερά και αποτελεσματικά, από κύματα ραδιοσυχνότητας ελεύθερου χώρου μέσω μιας κεραίας και σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Το σύστημα μπορεί να ρυθμιστεί για να μεγιστοποιήσει την ισχύ προς το κύκλωμα σε μια διαμόρφωση, όμως μόλις κάποιος βαδίσει μεταξύ πομπού και της συσκευής-δέκτη της ισχύος ή η συσκευή κινηθεί, η ισχύς που λαμβάνεται μπορεί να πέσει δραματικά.

Το πρόβλημα είναι ότι η κεραία δεν απορροφά απλώς ακτινοβολία, στέλνει επίσης ορισμένη από την προσπίπτουσα ακτινοβολία πίσω στο περιβάλλον. Υπάρχει μια σταθερά σύζευξης (ένας αριθμός) που συσχετίζεται με κάθε μια από τις δυο διαδικασίες – της ακτινοβόλησης προς το περιβάλλον και της μετάδοσης προς το συνδεδεμένο κύκλωμα (το φορτίο). Όταν αυτές οι σταθερές σύζευξης είναι ίσες, αποδεικνύεται ότι η ενέργεια που μεταφέρεται στο κύκλωμα είναι μεγιστοποιημένη. Όμως εάν μετά η κεραία κινηθεί κοντά σε ένα αντικείμενο που ανακλά την ακτινοβολία, για παράδειγμα, η σταθερά σύζευξης για την ακτινοβόληση θα αλλάξει και θα εκτρέψει το σύστημα από την ισορροπία.

Στο σχήμα για ασύρματη μεταφορά ισχύος, μια κεραία-πομπός (δεξιά) ακτινοβολεί κύματα σε ραδιοσυχνότητες προς μια κεραία-δέκτη, η οποία στέλνει ισχύ (μπλε κύμα) μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου προς το κύκλωμα-δέκτη, όπως μια μπαταρία (δεν φαίνεται). Ένα επιπλέον κύμα που στέλνεται από το κύκλωμα προς την κεραία (κόκκινο) συμβάλει με το πρώτο κύμα με έναν τρόπο που μεγιστοποιεί την ισχύ που λαμβάνεται.

Για να αντιμετωπίσουν τέτοια προβλήματα, οι ερευνητές έχουν προσθέσει ρυθμιζόμενα στοιχεία κυκλώματος, όπως πυκνωτές ή πηνία, που μπορούν να συντονιστούν για να αποκαταστήσουν την ισορροπία. Αλλά το να αλλάξεις το φορτίο «είναι περίπλοκο και αναποτελεσματικό και δεν λειτουργεί απαραίτητα αν τα πράγματα αλλάξουν δραστικά», λέει ο Andrea Alù του Πανεπιστημίου του Texas στο Austin και του SUNY (City University of New York).

Ο Alù και ο συνάδελφοί του επανέρχονται με μια νέα λύση. Εμπεριέχει την αποστολή ενός σήματος από το φορτίο προς την κεραία με συγκεκριμένη φάση και πλάτος. Αυτό το «βοηθητικό» σήμα μπορεί να συντονιστεί για να βελτιώσει την μετάδοση κύματος προς το φορτίο μέσω της συμβολής κύματος, που αντισταθμίζει αποτελεσματικά την μη-ισορροπία στις σταθερές σύζευξης χωρίς να χρειάζεται να τροποποιηθεί το φορτίο. Ο Alù αναφέρει ότι η φάση και το πλάτος του βοηθητικού κύματος θα μπορούσαν να επιλεγούν με ένα κύκλο ανάδρασης που επανασυντονίζει μόνο του αυτόματα καθώς αναδύονται αλλαγές στο περιβάλλον.

Για να επιδείξει την αρχή, η ομάδα χρησιμοποίησε μια γεννήτρια σημάτων για να παραγάγει και μεταφέρει μικροκυματική ισχύ μέσω του χώρου από μια κεραία εκπομπό προς μια κεραία δέκτη, σε απόσταση 40 εκατοστών. Ένα ομοαξονικό καλώδιο συνέδεε την κεραία με το φορτίο. Οι ερευνητές έδειξαν ότι, ακόμη και με μεγάλη ανισότητα των σταθερών σύζευξης, το σχήμα τους θα μπορούσε να αποκαταστήσει τη μέγιστη μεταφορά ισχύος. «Η εργασία αυτή δείχνει τη δυνατότητα των ιδεών της εφαρμοσμένης φυσικής για να βελτιωθεί η ανθεκτικότητα της ασύρματης μεταφοράς ισχύος», σημειώνει ο ηλεκτρονικός μηχανικός Shanhui Fan του Πανεπιστημίου Stanford στην Καλιφόρνια, ο οποίος αποκάλεσε την εργασία «καινοτόμο».

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στη δημοσίευση: Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances. Science.