На зарядку становись

Недавно инженеры американской лаборатории Disney Research представили новую технологию беспроводной передачи электроэнергии устройствам, расположенным в пределах одной комнаты. Это интересное решение, хотя и не лишенное изъянов. Оно вписывается в представления фантастов о технологиях будущего, позволяющих автоматически заряжать любые портативные устройства, едва войдя в помещение. Но до выхода на рынок технологии Disney еще далеко: мы пока не умеем делать такие устройства безопасными для здоровья людей.

О беспроводной передаче энергии еще в XIX веке грезили Андре Ампер, Джеймс Максвелл, Майкл Фарадей, Генрих Герц и, конечно же, Никола Тесла. Изобретатели полагали, что это будет очень удобно: никаких проводов в комнатах, никаких розеток и контактных щитков; освещение можно будет размещать где захочется и перемещать в любой момент куда захочется. В 1893-1894 годах Тесла даже показал свое устройство для беспроводных передачи и приема электричества — катушки Тесла. С их помощью изобретатель смог без проводов зажечь люминесцентную лампу (что было довольно просто, поскольку ее люминофор чувствителен к электромагнитному излучению) и лампу накаливания (что сложнее, потому что в ней люминофора нет).

Оружие ближнего боя

Катушки Тесла работали по принципу электромагнитной индукции. С ней все просто. Есть одна проволочная катушка и вторая. На первую подается напряжение, которое тут же приводит к возникновению электромагнитного поля. Если вторая катушка находится внутри этого электромагнитного поля, в ней под его воздействием возникает электродвижущая сила, которая преобразуется в электрический ток. Мы давно привыкли и не замечаем этого, но надежная беспроводная передача электричества используется практически везде. Речь идет о трансформаторах, на вход которых подаются 220 вольт переменного тока, а на выходе получается меньшее или большее количество вольт. Трансформатор состоит из двух катушек — обмоток. Выходное напряжение зависит от количества витков проволоки в принимающей катушке.

Трансформаторы сегодня повсюду: в телевизорах, зарядных устройствах смартфонов, энергосберегающих лампах. Они служат первым звеном в блоках питания многих устройств. Именно электромагнитная индукция лежит в основе изысканий инженеров, придумывающих новые устройства беспроводной зарядки для всего. Основных причин для ее использования две: потенциально высокая эффективность передачи электроэнергии на ближнем расстоянии и слабая зависимость от внешних факторов. Например, для передачи электроэнергии на большие расстояния планируется использовать микроволны или лазеры, но и те другие не терпят преград — между передатчиком и приемником должна быть прямая видимость.

Беспроводные зарядные станции тоже давно уже созданы, и многие из нас ими пользуются. Например, такие зарядки установлены в подставки для электрических зубных щеток. Или вот еще пример: утром вы заходите в метро и прикладываете к турникету картонный билет или карту «Тройка». Такой билет содержит в себе металлическую катушку (ее видно на просвет) и маленький чип, управляющий отправкой и записью информации. В турникете же установлена передающая катушка. Когда билет попадает в ее электромагнитное поле, в принимающей катушке возникает ток, достаточный для питания микрочипа. А дальше происходит молниеносный обмен данными: катушка на турникете модулирует магнитное поле, микрочип билета воспринимает модуляции и позволяет считать свою информацию или записать новую.

Беспроводных зарядных станций сегодня существует огромное множество. Это и обычные коврики, подключенные к розетке, на которые достаточно просто положить свой смартфон. Это и устройства стандарта Qi (читается «Ци»), которые могут не просто заряжать устройства, а управлять их зарядкой, передавая и принимая служебные данные, включая идентификатор (чтобы адресно управлять зарядкой устройств) и команды на начало и прекращение зарядки. Домашние умельцы даже делают беспроводные зарядки своими руками, причем этот процесс довольно прост. Но какими бы замечательными ни были подобные устройства, они имеют один серьезный недостаток: индукционные зарядные станции не могут передавать энергию на большое расстояние; максимальная дальность их действия не превышает диаметра передающей катушки.

Понятно, что если постараться и скрутить передающую катушку диаметром 300 метров, то можно будет передавать электричество на такое же расстояние. Но это будет очень дорого, неэффективно (на дальней границе электромагнитного поля индуцируемого тока едва будет хватать на работу устройства, а про зарядку его аккумулятора можно будет забыть) и опасно для здоровья. Когда Тесла изобретал свои катушки, о влиянии электромагнитного излучения на живые организмы еще ничего не было известно. Считалось, что раз это излучение невидимо и неощутимо, то и вреда от него нет. И поэтому разрабатывались смелые проекты по обеспечению беспроводным электричеством целых городов.

Только позднее выяснилось, что длительное воздействие повышенного электромагнитного поля на человека может вызывать чувство усталости, тошноту и головную боль, а значительное превышение электромагнитных норм — приводить к повреждению центральной нервной системы и сбоям в работе сердечно-сосудистой системы. Поскольку нас и без всяких беспроводных зарядных станций постоянно окружает электромагнитное излучение (сотовые станции, Wi-Fi, телерадиовещание, спутниковое вещание, Bluetooth и даже микроволновые печи), во многих странах приняты и действуют стандарты, устанавливающие допустимые его уровни. Например, уровень излучения сотовых станций в России ограничен десятью микроваттами на квадратный сантиметр.

Развитие технологий индукционной передачи электричества и стандартов, ограничивающих мощность электромагнитного излучения, подтолкнуло ученых к попыткам разработать дальнобойные, но безопасные для людей и животных зарядные устройства. В поисках компромисса инженеры использовали резонансную электродинамическую индукцию. В этом случае передающая катушка настроена на формирование электромагнитного поля с определенной частотой, и принимающая катушка устроена несколько сложнее: она уже не является просто мотком проволоки, а снабжена набором конденсаторов. Их количество и емкость позволяет «настроить» катушку на эффективный прием электромагнитного излучения передатчика.

Такая настройка передатчика и приемника на одну частоту называется резонансной. Ее преимущество в том, что «переброска» электроэнергии происходит импульсами, причем на пике импульса передается наибольшая мощность. По сравнению с обычными индуктивными зарядными станциями резонансные позволяют эффективнее передавать энергию. Кроме того, использование резонансной электродинамической индукции позволяет увеличить расстояние передачи энергии. Дело в том, что область распространения электромагнитного поля делится на три зоны: ближнюю, переходную и дальнюю (в переходной и дальней зонах электромагнитное излучение затухает и теряет свои полезные для беспроводной передачи энергии свойства). Ближняя зона — это и есть тот небольшой участок возле антенны, на котором, если там разместить принимающую катушку, можно получить электромагнитную индукцию.

В резонансной электродинамической индукции появляется возможность управлять границами ближней зоны катушки. Ее радиус можно вычислить, если разделить длину электромагнитной волны на число π, умноженное на два. Скажем, передающая катушка генерирует электромагнитное излучение с частотой 100 килогерц. Длина волны на этой частоте составит три тысячи метров. Подставив это значение в формулу, мы узнаем, что радиус ближней зоны для передатчика составит чуть больше 477 метров. Казалось бы, проблема решена: создаем относительно компактную передающую катушку, генерируем на ней электромагнитное поле с частотой, скажем десять килогерц (чтобы длина волны увеличилась в десять раз) и получаем передачу электроэнергии на дальность до 4,8 километров. Но передача большой мощности таким образом губительно скажется на живых организмах.

И здесь вновь вступают в силу стандарты частотности и мощности электромагнитного излучения (каждая страна определяет их по-разному в зависимости от своих представлений о вреде длительного воздействия электромагнитных волн). По правилам большинства стран, для длинных волн как излучения, имеющего протяженную ближнюю зону, передаваемая мощность ограничивается несколькими милливаттами. Современным устройствам такой мощности не хватит ни на что. Однако сегодня сразу несколько исследовательских и частных организаций занимаются разработкой новых систем беспроводной передачи электричества, которые, если их удастся довести до стадии серийного производства, смогут существенно изменить наш быт. Они будут соответствовать местным стандартам безопасности электромагнитного излучения и при этом эффективно заряжать пользовательские устройства на относительно больших дистанциях.

Дальнобойная артиллерия

Так, в июне 2015 года исследователи из Вашингтонского университета предложили использовать для беспроводной зарядки устройств обычные Wi-Fi-роутеры. Для эксперимента ученые взяли обычный роутер, построенный на чипе Atheros AR9580. Алгоритм работы чипа был несколько модифицирован. Если современные роутеры ведут вещание, только если об этом просит подключаемое устройство, то модифицированный роутер передавал сигнал постоянно. Если к нему не было подключено ни одно устройство, роутер передавал шум, модулированное излучение, не несущее информации. В результате исследователям удалось обеспечить электричеством температурный датчик и камеру на расстоянии до восьми метров. Камера делала снимок разрешением 174 на 144 пикселя один раз в 35 минут.

Предложенную технологию исследователи назвали PoWiFi (Power over Wi-Fi, энергия через Wi-Fi). Впрочем, роутеры плохо подходят для обеспечения энергией крупных устройств, требующих серьезного энергоснабжения. Мощность передачи типичного роутера без каких-либо усилителей составляет около ста милливатт. Для сравнения, современные смартфоны комплектуются зарядными устройствами мощностью 40–50 и более ватт. Поэтому большинство исследователей рассматривают возможность не использования уже существующих в квартирах источников электромагнитного излучения, создания новых, более мощных и «интеллектуальных».

Другая американская компания, Energous, еще в конце 2015 года пообещала в течение ближайших пары-тройки лет выпустить на рынок WattUp — компактную беспроводную зарядную станцию для любых устройств. Причем всего по 300 долларов за штуку. Эта станция работает по принципу резонансной электродинамической индукции и способна заряжать устройства в пределах одной комнаты. Технические подробности устройства компания не раскрывает, ссылаясь на коммерческую тайну, но общее описание приводит. Одна станция сможет с одинаковой эффективностью заряжать до 12 устройств одновременно. Все время зарядки между ней и устройствами будет поддерживаться обмен данными для определения остаточного заряда, расстояния, на котором расположено устройство, и режима зарядки.

В зависимости от полученных данных о ходе зарядки станция будет сбалансировано распределять передаваемую мощность между всеми подключенными потребителями. В Energous утверждают, что если при 12 подключенных устройствах в зоне действия WattUp появится еще одно, станция его запомнит и разрешит ему встать на зарядку, как только один из подключенных потребителей «насытится». Управлять распределением передаваемой мощности предполагается, вероятно, с помощью изменения частоты передачи. Для каждого устройства в момент подключения будет устанавливаться своя частота зарядки. При этом будет ли компания поставлять вместе со станцией приемную часть для устройств или они должны обладать собственной, совершенно не понятно.

Между тем в феврале текущего года инженеры Disney Research представили технологию беспроводной передачи энергии, позволяющую передавать до 1,9 киловатта энергии в пределах одной комнаты без вреда для живых организмов. Новую технологию инженеры назвали квазистатическим резонансом в полости (quasistatic cavity resonance, QSCR). Разработчики построили комнату объемом 54 кубических метра, в пол, потолок и стены которой вставили алюминиевые панели. В центре установили медный столб диаметром 7,2 сантиметра с разрывом высотой 2,5 сантиметра посередине. Верхняя и нижняя части столба в месте разрыва соединены друг с другом 15 конденсаторами общей емкостью 7,3 пикофарада. При подаче напряжения на столб вокруг него образовывались стоячие электромагнитные волны с частотой 1,32 мегагерца.

В ходе эксперимента исследователи с помощью специального генератора подавали на алюминиевые пластины в комнате резонансный ток с частотой 1,32 мегагерца. Подача напряжения на алюминиевые панели в стенах, потолке и полу также приводила к образованию стоячих электромагнитных волн, которые, взаимодействуя с волнами от медного столба, образовывали в пределах комнаты однородное электромагнитное поле. Это поле уже могли преобразовывать в электричество обычные приемные катушки на смартфонах, радиоуправляемых машинках или светодиодных лампочках. Всего в одной комнате могут заряжаться до 320 устройств. Правда, по своей конструкции сама комната похожа на клетку Фарадея, то есть внутри нее сотовый телефон, скорее всего, ловить не будет.

Впрочем, исследователи из Disney при этом продвинулись дальше своих коллег из корейского института KAIST. Те в 2014 году представили зарядную станцию DCRS (Dipole Coil Resonant System, резонирующая система с дипольными катушками). Если в обычных системах беспроводной передачи электричества методом резонансной индукции используются, грубо говоря, мотки проволоки, то в новой системе исследователи поместили внутри передающей и принимающей катушек ферритовый сердечник. В результате стала возможна эффективная передача энергии на расстояние до пяти метров. Размеры передающей катушки составляют три метра в длину, десять сантиметров в глубину и 20 сантиметров в высоту.

Во время экспериментов катушка излучала с частотой 20 килогерц. Максимальная выходная мощность на дальности трех метров составила 1,4 киловатта и 209 ватт — на расстоянии пяти метров. Правда, эффективность устройства беспроводной передачи электричества составила всего 40 процентов. Грубо говоря, для передачи ста ватт энергии другому устройства сама система должна потребить мощность в 250 ватт. Для сравнения, у беспроводных зарядных станций стандарта Qi (дальность передачи — четыре сантиметра) эффективность составляет до 85–90 процентов, что уже близко к 96-98 процентам обычных проводных зарядок смартфонов. Разработка Disney Research, по утверждению инженеров, имеет эффективность в 40–95 процентов в зависимости от местоположения устройства.

Впрочем, каких-либо по-настоящему впечатляющих результатов разработчикам пока достичь не удалось. Передавать большую мощность на существенные расстояния без вреда для живых организмов и создания помех для систем радиовещания никто пока так и не научился. Поэтому существующие рыночные устройства являются скорее эргономичными доработками, нежели действительно беспроводными зарядными станциями. Это по-прежнему некий прибор, который надо втыкать в розетку. И все отличие заключается лишь в том, что теперь смартфон достаточно просто положить на специальный коврик, а не подсоединять к кабелю. Тем не менее, некоторые крупные компании все же делают ставку на беспроводные устройства. Например, планируется, что беспилотные электромобили Google будут заряжаться без проводов.

Василий Сычёв