Урок волшебства: технологии передачи электричества без проводов
В нашу эпоху беспроводными устройствами никого не удивишь. Еще вчера о таких технических достижениях можно было только мечтать, а сегодня мы не представляем полноценной, красочной жизни, например, без навороченного мобильного телефона или компактного ноутбука типа "можно потерять в кармане".
Но у всех портативных гаджетов есть ахиллесова пята – малый запас электроэнергии. Сегодня такая проблема как никогда актуальна.
Отец беспроводного электричества
А вот в XIX веке (времени бурного технического развития) о беспроводных агрегатах мечтали только сумасшедшие ученые и писатели-фантасты. Но именно тогда миру посчастливилось познакомиться с гениальным человеком, изобретателем и "отцом" электричества – Николой Тесла. И именно американцу (но сербу по происхождению), ученику Эдисона, принадлежат фундаментальные основы развития беспроводной передачи энергии.
Все началось в далеком 1892 году, когда Николе на научной конференции в Лондоне удалось провести ток по одному проводу, то есть по незамкнутой цепи! Медный "шнур" при этом оставался абсолютно холодным (словно это суперпроводник с нулевым сопротивлением и бесконечно малой площадью поперечного сечения), а второй полюс тестовой системы не заземлялся. Пару месяцев спустя в Сант-Льюисе Тесла зажег электрическую лампочку без использования каких-либо проводов и показал прототип первого (и тогда еще единственного) в мире беспроводного электродвигателя. Многие зрители посчитали изобретателя волшебником. На самом деле магия серба вполне поддавалась физическим законам и формулам.
Трансформатор Тесла
Итак, поначалу гениальный житель Соединенных штатов использовал в своих успешных тестах принцип электрических колебаний в единственном проводе. Но после Тесла пошел дальше: "А почему бы не использовать в качестве проводника Землю?! Если установить период колебания электрического поля планеты, можно беспрепятственно, на любые расстояния передавать информацию и ток". Авторитет физика уже тогда внушал доверие, и найти богатеньких буратин-спонсоров не оказалось большой проблемой. В роли сподвижников выступили известные американские магнаты того времени Дж. Морган и Дж. Вестингаус. Те, в свою очередь, тоже не обеднялись за счет распространения патентов и изобретенных Николой устройств. Так что, подкрепив свои доводы финансами, Тесла в начале XX века соорудил за огромный по тем временам бюджет в миллион долларов в пригороде Колорадо большую лабораторию с гигантским вибратором, разработанным немецким ученым П. Друде. С его помощью в первом же опыте ученый сумел зажечь порядка двухсот 50-ваттных лампочек на расстоянии 42 километра от лаборатории без использования проводов. Получается, что суммарная передаваемая мощность равнялась порядка 10000 Ватт или 13 лошадиных сил. Так называемым вибратором является трансформатор крупных размеров. Его первичная обмотка состоит из нескольких витков толстого провода, намотанного на стальной забор диаметром 25 метров. Внутри ограды на цилиндре из диэлектрика размещается вторичная медная катушка устройства. В совокупности с конденсатором и искровым промежутком первичная обмотка образовывает колебательный контур, создающий необходимую для экспериментов частоту. Вторая же обмотка соединяется с большой заземленной металлической сферой, расположенной на крыше лаборатории высотой 60 метров. Полученный механизм известен под скромным названием "трансформатор Тесла". В 1905 году он приводился в действие за счет динамического двигателя с тремя сотнями лошадиных сил и создавал электро-магнитные колебания с частотой 150 кГц и длиной волны 2000 метров.
Получившаяся цепь (где Земля – единственный "провод") имела напряжение 30000 В, а резонирующий потенциал шара доходил до семи миллионов вольт. Так что называть такую передачу "беспроводной" немного неправильно (один "провод" все-таки присутствовал). В результате больших нагрузок сфера испускала с металлической поверхности искусственные молнии, разлетающиеся на несколько десятков метров, вследствие ионизации воздуха вокруг лабораторного устройства. Местность (почва) близ лаборатории насыщалась электричеством, периодически меняя свой заряд. Такое явление получило название "пульсирующий насос". Длину же в 42 километра Тесла получил путем самораспространения концентрических волн на поверхности планеты. Так из Колорадо кругами с частотой 150 килогерц электромагнитные волны сходились в противоположной точке Земли, ударялись друг о друга и двигались обратно к лаборатории. Такая волна, издавая своеобразное "эхо", усиливала в несколько раз мощность трансформатора. Заставив "вибрировать" всю планету, американский ученый хотел наделить каждую точку земли электричеством…
Странное стечение обстоятельств
Но чуда не произошло. Хоть олигархи и поддержали Тесла, и в 1900 году началось строительство целого научного городка на острове Лонг-Айленд (близ Нью-Йорка), центром которого должна была стать громадная металлическая башня-трансформатор, как это часто происходит, бурно развивающиеся "проводниковые" магнаты надавили на главных спонсоров серба, и "лавочку" пришлось закрыть навсегда. К тому же большим количествам насмешек подверглись высказывания Николы о том, что его трансформатор улавливает марсианские сигналы (итальянский ученый Маркони, последователь Тесла, также признал факт существования иноземных "посылов"). Правительство США, недолго думая, взорвало недостроенную башню, а городок разобрали подчистую на металлолом. Вторым фактором неудачи проекта "обеспроводизации" являлось низкое КПД трансформатора. Из первого опыта видно, что 13 "копытных" сил получили за счет динамо-машины в 300 л.с. Четыре с небольшим процента коэффициента полезного действия не лезут ни в какие рамки по сравнению с обещанной Николой 90-процентной эффективностью. В прямом смысле слова получается, что 86% энергии пускалось на ветер и спецэффекты в виде искусственных молний :).
Но давай посмотрим, какую бы пользу принесла технология Тесла сегодня нашим переносным устройствам! Уверен, что к сегодняшнему дню инженеры и ученые смогли бы поднять КПД трансформатора пусть не до идеальных, но нормальных величин. Следовательно, персональный компьютер со средней мощностью 350 ватт смог бы без проблем питаться от Земли. А их количество достигло бы 10000/350 ~28 штук. Заметь, столько ПК можно запитать при 4-процентном коэффициенте полезного действия на расстоянии в марафонскую дистанцию. На практике такие величины никому не нужны. А во времена бурного развития электричества и подавно. Поэтому план беспроводной электрификации Тесла оказался невостребованным.
После "заморозки" научного городка в Лонг-Айленде никто так и не смог повторить опыты Николы Тесла. Наличие большого трансформатора требует таких же больших финансовых капиталовложений. Земля перестала быть проводником. Ученые всего мира стали задумываться о новом виде беспроводной передачи электроэнергии.
Магнитные передатчики
И в середине XX века физики и инженеры нашли решение. Используя улавливающие антенны японского изобретателя Хидетсугу Яги, разработанные еще в 1926 году, через 38 лет ученый Билл Браун смог передать 30 киловатт энергии от источника к приемнику на одну милю с КПД 84%. В своем опыте находчивый американец использовал хорошо известное явление магнитной индукции. В одной катушке с металлическим либо воздушным сердечником создается магнитное поле. Если поместить в это поле другую катушку, то в ней также сгенерируется энергия. В результате взаимодействия двух катушек появляется столь необходимое электричество. Расстояние между источником индукции и ее приемником, а также характеристики магнитного поля сильно влияют на конечный КПД передаваемой энергии. Шло время, а новых перспективных способов передачи электричества без проводов так и не прибавилось. Индукция стала весьма популярным (в научных кругах) средством передачи энергии. При малом расстоянии эффективность такого метода неоспорима. Но вот стоит разнести участников "контакта" на некоторое расстояние, как эффективность и мощность системы заметно падает. Сказывается явление дифракции – рассеивания волн в пространстве. Проблему потери большого количества энергии решили совсем недавно, уже в новом тысячелетии.
Доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Университета Марин Солячич совместно со своими коллегами и студентами несколько лет назад начал разработку устройств по передаче электричества на небольшие расстояния с помощью магнитных явлений. Вначале было решено использовать в качестве "телепорта" радиоволны, но большое рассеивание в пространстве (следовательно, очень низкий КПД) сразу же отодвинуло на задний план такую идею. Что хорошо для переноса информации – плохо для электричества. Второй идеей Марина, также признанной негодной, была мысль об использовании оптики. Но при таком способе малейшая преграда на пути лазера – и не быть электричеству в нужном месте и нужное время. К тому же лучи вредны для окружающих предметов. Наконец американский доцент догадался использовать в качестве универсального передатчика явление магнитного резонанса. Магнитный резонанс – это отдельное поглощение устройством или материей электромагнитных волн определенной длины. Эффект обусловлен изменением ориентации электронов, ядер и их моментов. Так, каждая частица расщепляется на несколько подуровней, а затем происходит ориентация их магнитного момента относительно магнитного поля. В результате получается так называемый эффект Зеемана, когда происходит расщепление спектральных линий под действием другого магнитного поля. Если настроить источник индукции и приемник на определенную частоту, то обмен электроэнергией будет осуществляться строго между ними (в пределах погрешности, конечно). Отличным сравнением является момент, когда какой-нибудь оперный певец, стоя перед целым рядом бокалов, наполненных жидкостью до разного уровня, берет ноту и, в зависимости от ее высоты, разбивает определенный стеклянный сосуд. Стоит взять ноту выше или ниже, как тут же разобьется совершенно другая рюмочка.
Используя явление магнитного резонанса, эффект Зеемана и специальные улавливающие антенны (все "новшества" были придуманы еще в XIX веке :)), Солячич смог зажечь 60-ваттную электрическую лампу, находясь в нескольких метрах от источника (такая технология передачи энергии получила название WiTricity). К источнику и приемнику "присобачили" настроенные на одну и ту же частоту медные катушки. Одна из них (источник) подключалась к розетке, а другая улавливала энергию, даже когда между устройствами находилось тонкое бумажное ограждение. Частота резонирования катушек составляет всего 10 МГц, следовательно, никакой опасности для здоровья живых организмов не наблюдается. В отличие от микроволн. К сожалению, размер катушек внушителен. Чтобы передать 60 ватт электричества на расстояние более двух метров (при комнатном напряжении 220 В) приходится использовать медные магнитные устройства 60 сантиметров в диаметре. Уменьшение их габаритов позволительно лишь с использованием более дорогостоящих проводящих материалов. Именно такой опыт совсем недавно провел процессорный гигант Intel.
Видимо, компании весьма понравился новый способ передачи электричества, а это значит, что в скором времени мы увидим продолжение увлекательной истории про магнитный резонанс, не говоря уже про результаты заимствования патентов Солячича Министерством обороны США и NASA :).
Девайсы
Мирные жители, кстати, тоже не обделены технологиями. Каждый может получить свой "кусочек" магнитной индукции, купив специальные девайсы (стартапы) от фирм Powercast, WildCharge, Fulton Innovation и др. С их помощью можно беспрепятственно (то есть, без использования проводов) заряжать мобильные телефоны, MP3-плееры, фотоаппараты и ноутбуки. Необходимо лишь положить на специальную подставку заряжаемый прибор. Коэффициент полезного действия в получившемся поле составляет порядка 57%, чего вполне хватает для быстрого восполнения запаса энергии небольших гаджетов. К примеру, коммуникатор HTC S710 потребляет 1.05 А х 3.7 В = 3.7 Вт энергии. Для нормального функционирования катушке-приемнику, расположенной в корпусе мобильного гаджета, потребуется находиться вблизи источника на расстоянии 0.12 метров. Размер улавливающего устройства телефона будет равен приблизительно 4 сантиметрам. Чтобы позволить пропустить по воздуху 3.7 Вт мощности, скажем, по квартире (расстояние с преградами в виде стен и мебели порядка 10 метров), придется использовать магнитные катушки диаметром 10х3.7/0.12/60 = 3.08 метра, что практически невыполнимо в домашних условиях. Нетрудно посчитать, какой размер катушек потребуется, чтобы передать необходимую энергию ноутбуку мощностью порядка 65-100 Вт. Картина радужными тонами явно не изобилует...
Но несмотря ни на что, у девайсов подобного рода есть будущее. Например, компания WildCharge выпустила одноименный коврик для беспроводной зарядки переносных устройств, за что была удостоена в 2008 году на выставке CES2008 премии "Лучшая инновация" в категории портативного электропитания. Стартап прост донельзя: тонкий пластиковый коврик-подставка способен разместить на своем "тельце" несколько беспроводных устройств. К гаджету же подключается специальный приемник, являющийся не чем иным, как небольшой магнитной катушкой, спрятанной в пластиковый "фантик". При попадании оборудованного мини-катушкой мобильного телефона или плеера в зону действия подставки, девайс сразу же начинает заряжаться электричеством. В настоящее время продукты компаний Motorola, BlackBerry и Apple оснащены встроенными антеннами- приемниками. Сам же коврик оценивается изобретателями в 60 убитых енотов.
Русские идут!
Как я уже говорил, про деяния Тесла забыли практически на сто лет. Ученые плавно перешли к изучению магнитного резонанса. Но в 1989 году инженер Московского Энергетического Университета (МЭИ) С. Авраменко провел ряд тестов по передаче электричества через один провод. В лабораторных условиях удалось достигнуть передачи 1.2 киловатт энергии через 15-микрометровую проволоку на расстояние около 150 метров. Вольфрамовая нить была холоднее морозного утра, и тем самым наш соотечественник повторил опыты сербского физика, проводимые в конце второго тысячелетия. Пронаблюдать за ходом экспериментов приехал заместитель министра энергетики СССР, и был весьма поражен достижениями Станислава. Позже, как известно, на территории советской Евразии произошел "небольшой" геополитический передел собственности, и о проекте Авраменко все забыли.
Но под занавес тысячелетия инженер МЭИ доработал технологию передачи энергии Тесла средствами одноименного трансформатора. Увеличение КПД системы достигается за счет применения лазерных диодов – лазеров, в которых рабочей областью являются p-n переходы (область проводника с разной проводимостью: p – положительной; n – отрицательной), работающие в электронном газе (например, слое ионосферы). Принцип работы такого лазера аналогичен работе оптических приводов HD DVD и Blu-ray. На анод диода подают положительный потенциал (смещение в прямом направлении). P-область после пропускания через нее электрического тока создает высокую концентрацию неравновесных подвижных, квазичастиц (ионов и электронов) в n-области. Та, в свою очередь, совершает точно такие же действия относительно положительной области. Далее в p-области происходит туннелирование элементарных частиц с выделением фотонной и фононной энергии определенной мощности и длины волны. В результате электрического пробоя и фотоионизации в получившемся "канале" возникает высокая концентрация ионов и электронов, которые под действием кулоновых сил перемещаются от источника (трансформатора Тесла с лазером) к приемнику (устройству) с минимальным рассеиванием электричества. Мощность лазера составляет порядка 100 кВт, а резонирующее напряжение трансформатора Тесла может колебаться в пределе от 2 до 50 миллионов вольт. Несмотря на значительное повышение КПД трансформатора Тесла, применение лазера пагубно влияет на расстояние передаваемой энергии и безопасность системы в целом. Изобретение Авраменко вряд ли пригодится в повседневной жизни техноманьяку (до тех пор, пока не удастся создать миниатюрные источники и приемники), а вот машиностроению и военным министерствам весьма выгодно управлять аппаратурой на расстоянии без постоянной подзарядки двигателей.
А стоит ли овчинка выделки?
Николе Тесла не повезло со временем. В начале ХХ века человечество не нуждалось в его творениях. Люди были озабочены совершенно другими потребностями. Уже сейчас с ростом населения, развитием технического прогресса и истощением природных ресурсов беспроводная передача энергии кажется одним из самых (если не самым) перспективных направлений развития технологий. К тому же это удобно. Можно не беспокоиться о емкости батареи ноутбука и наконец-то не волноваться о том, что аккумулятор телефона "сядет" в самый неподходящий момент. Хочешь ли ты такого будущего? Думаю, ответ очевиден :).
Из указа Президента РФ: "В целях обеспечения безопасности населения и сохранности материально-технических ценностей государства установить нумерацию дней июля с 1-го по 62-й день. За 62-м июля следует 1-е сентября"
.
Информация
Присылайте свои вопросы, пожелания и исправления на webmaster@vmei.ru
