15.03.2025. - Беспроводное электроснабжение уже на горизонте

Беспроводное электроснабжение уже на горизонте

С тех пор, как в 1882 году инженер включил выключатель на электростанции Pearl в центре Манхэттена, передача электроэнергии по всему миру из пункта А в пункт Б осуществляется с помощью проводов. Независимо от того, подключены ли они к линиям электропередачи большой мощности, линиям распределения малой мощности или просто к 120-вольтовой розетке на вашей кухне, они проходят по всему периметру.

Хотя это может быть удобно для наших домов, предприятий и iPhone, электрические столбы и провода не подходят для каждой ситуации, ни сейчас, ни в будущем. Возможно, прокладка громоздких линий электропередачи или оптоволоконных кабелей на отдаленный остров просто обходится слишком дорого. Кроме того, есть применение в космосе. Протянуть провода от спутников, собирающих солнечную энергию, к наземным электростанциям непросто. А поскольку все больше отраслей промышленности переходят на использование электричества в рамках отчаянных усилий планеты по сокращению выбросов углекислого газа, возможность подавать электроэнергию в любое время и в любом месте — по проводам или без них — важна как никогда.

Уже более ста лет ученые и инженеры размышляют над совершенно другим способом передачи энергии — без проводов. Это называется энергетическим излучением, и на протяжении десятилетий изобретатели, ученые и инженеры проводили своего рода генеральную технологическую репетицию, чтобы воплотить его в жизнь. Они изобретают способы использования микроволн, радиоволн и даже лазеров для передачи энергии из одного места в другое.

Мы можем проследить, что идея создания энергетического излучения восходит к Николе Тесле. У Теслы, одного из величайших изобретателей в истории, всегда были странные идеи. Некоторые из них изменили мир (переменный ток), в то время как другие вызывали лишь недоумение (глубокая любовь к голубям). Однако Тесла мог бы также быть своего рода технологическим предсказателем. В 1926 году Тесла написал в журнале Collier's magazine, что “благодаря телевидению и телефонии мы будем видеть и слышать друг друга так же хорошо, как если бы находились лицом к лицу” с устройствами, которые “помещаются в наших жилетных карманах”. Жилеты на самом деле не были широко распространены, но первые смартфоны появились почти 80 лет спустя.

Кроме того, есть, пожалуй, его самый амбициозный проект — Всемирная беспроводная система. В соответствии со своим названием, система могла бы передавать электричество через ионосферу Земли, по сути, используя саму планету в качестве проводника — по крайней мере, Тесла на это надеялся. По финансовым, практическим и научным причинам Всемирная беспроводная система Теслы отошла в прошлое. Однако идея передачи энергии по беспроводной сети продолжала жить.

“Тесла думал о методах индукции…он думал об использовании электрических полей, чтобы затем индуцировать ток в другом месте”, - говорит Стивен Суини, доктор философии, профессор фотоники и нанотехнологий в Университете Глазго. “Это хорошо работает на коротких расстояниях... но когда вы начинаете удаляться, это, как правило, не очень хорошо работает”.

Хитрость заключалась в том, чтобы выяснить, как направлять электромагнитные волны. После технологических новшеств Второй мировой войны у ученых появилось несколько ответов на эту инженерную загадку: микроволны и лазеры.

В 1964 году американский инженер-электрик Уильям К. Браун успешно пилотировал небольшой вертолет в течение 10 часов подряд с помощью микроволнового излучения. Перенесемся в 1975 год, когда Браун вместе с ученым НАСА Ричардом Диксоном успешно направили 30 киловатт прямой энергии на расстояние в одну милю, используя микроволны, излучаемые 85-футовой чашеобразной антенной Venus, но с эффективностью всего 50 процентов. Оба эксперимента, безусловно, были техническими достижениями, но недостаточно хороши — или недостаточно масштабируемы — для того, чтобы быть чрезвычайно полезными.

В последующие десятилетия технический прогресс начал превращать излучение энергии из нового эксперимента в энергетическую необходимость. Это включало в себя появление компьютеров, фотоэлектрических систем, лазеров и транзисторов. Общество также начало настаивать на электрификации в условиях неумолимого изменения климата.

“Когда это было впервые предложено, это было просто технологически невозможно... С тех пор технология развивалась”, - говорит Суини. “Но в последние несколько лет, что действительно привело к возрождению подобных вещей, так это то, что некоторые вещи стали дешевле в производстве”.

Рик Ходжсон, менеджер по развитию бизнеса новозеландской энергетической компании EMROD, рассматривает отказ от ископаемого топлива как еще одну важную причину, по которой к беспроводной передаче энергии, наконец, стали относиться серьезно. “Активы, которые работали на ископаемом топливе, становятся полностью электрическими”, - говорит Ходжсон. “Горнодобывающая компания в Австралии объявила о сделке на сумму 4 миллиарда долларов с Liebher...to поставкой более 450 полностью электрических автомобилей”.

Теперь проблема заключается в том, что эти электромобили нуждаются в подзарядке. Но благодаря источнику энергии электрические карьерные самосвалы, дроны и спутники потенциально могут продолжать работать при постоянной подзарядке. То же самое верно и для растущего числа интеллектуальных датчиков, которые управляют нашим взаимосвязанным миром.

Все новые технологии конкурентоспособны, но энергетическое излучение стоит особняком. Отчасти причина в том, что для получения энергии могут быть использованы различные длины волн в электромагнитном спектре. Как и в случае с любым источником энергии, неизбежные компромиссы зависят от того, как используется эта технология.

Например, система EMROD работает с энергией, поступающей из сети. Система преобразует электрическую энергию постоянного тока в микроволны и передает их в виде коллимированного луча между передающей и приемной антеннами. Наконец, она преобразует луч обратно в энергию постоянного тока, чтобы его можно было использовать. Большинство, если не все, устройств для передачи мощного излучения работают аналогичным образом, но разница заключается в конкретной длине волны, используемой двумя антеннами.

Микроволны могут проникать в атмосферу и при этом не терять большой мощности, говорит Суини, эксперт по фотонике, который работал над многими проектами по созданию мощных лазерных излучений. “Главным недостатком является, в конечном счете, физика, потому что... способность концентрировать луч зависит от длины волны”.

При излучении микроволн с относительно небольших расстояний, например, с автоматизированной фабрики, или со средних расстояний, например, с отдаленного острова, антенны могут оставаться относительно небольшими. Но для того, чтобы добиться того же результата с помощью спутников, собирающих солнечную энергию, в космосе, потребуется приемная антенна размером во много квадратных километров. Хотите испускать энергию из гипотетической сферы Дайсона, заключающей в себе Солнце? Забудьте об этом.

С другой стороны, лазерные системы обладают аналогичными преимуществами и недостатками, но в обратном порядке. Лазеры более чувствительны к атмосферным воздействиям, но поскольку их длина волны находится в микрометровом диапазоне (а не в сантиметрах, как у микроволн), “у вас есть возможность гораздо сильнее концентрировать луч, и поэтому вы можете сделать приемники небольшими ... эквивалент приемника для лазерного излучения в космосе исчисляется десятками метров”, - говорит Суини.

Кроме того, есть зона Златовласки, где длины волн не слишком малы, но и не слишком велики. Вот тут-то и пригодится технология Reach Power, базирующаяся в США, поскольку ее технология мощного излучения основана на радиоволнах миллиметрового диапазона.

“Я думаю, что наш маршрут использования составит менее 25 километров”, - говорит генеральный директор Reach Power Крис Давлантес. Хотя это не заменит линии электропередачи протяженностью в сотни километров, это может сработать для “городского пейзажа с роботами, роботакси или беспилотными летательными аппаратами в небе, или распределенными сенсорными платформами, или заменой резервных генераторов”.

В настоящее время энергетическая энергетика является глобальной задачей, инвестиции в США направляются на военные нужды, а в Европе - на развитие зеленой энергетики. В Азии наблюдается большой интерес к телекоммуникационным компаниям, а Япония лидирует в области космической энергетической энергетики. Итак, при таком разнообразии применений, когда же, наконец, энергетическое излучение станет массовым явлением?

Это ближе, чем вы думаете.

Кажется, что до таких захватывающих технологий, как термоядерная энергетика, летающие автомобили и другие виды технической фантазии, еще 30 лет. Однако с излучением энергии дело обстоит иначе.

“Первые, краткосрочные варианты использования…- это датчики с очень низким энергопотреблением”, - говорит Давлантес. “Устройства, которые могут питаться практически от сети Wi-Fi”. Такие компании, как Powercast и Wi Charge, уже разрабатывают технологии для маломощных датчиков в домашних условиях и в торговых точках. В качестве нескольких примеров можно привести интеллектуальное освещение, датчики движения и приближения. Представьте, что вы идете по проходу супермаркета с динамическими дисплеями, которые могут обновляться удаленно, и все это работает от мощного концентратора, установленного на потолке над головой.

Но, как и большинство технологий, которые были разработаны в современной истории, первыми, кто их применит, скорее всего, будут такие подразделения, как вооруженные силы США, которые могут справиться с любой энергетической неэффективностью или затратами, поскольку потребность в поставке электроэнергии очень велика. Это особенно ценно для непрерывной работы военных беспилотных летательных аппаратов или обеспечения столь необходимой техники на поле боя.

Компания EMROD, которая сотрудничает с коммунальными предприятиями в Новой Зеландии и по всему миру в тестировании своей технологии передачи энергии, стремится к повышению эффективности. Компания утверждает, что ее система передатчиков и приемников может обеспечить 95—процентный КПД, и они знают, как достичь 99 процентов.

В конечном счете, EMROD хочет построить глобальную электрическую сеть, в том числе найти способы снабжения электроэнергией отдаленных населенных пунктов, которые плохо подключены к электросети. Получившая название Worldwide Energy Matrix, эта космическая сеть, по сути, будет использовать группировку спутников для бесперебойного сбора солнечной энергии, передачи этой энергии между спутниками и отправки этой энергии в любое место по всему миру, где это необходимо.

Японское космическое агентство JAXA настолько заинтересовано в этом потенциальном источнике энергии, что к 2030-м годам надеется создать на орбите космическую электростанцию, вырабатывающую один гигаватт электроэнергии — примерно столько же, сколько вырабатывает коммерческий ядерный реактор в год.

Даже если такие космические приложения, возможно, все еще существуют в той неуловимой области, где они “не за горами”, более земные мечты о создании энергетических систем готовы к осуществлению. Технология достаточно хороша, она достаточно дешевая, и первоначальный скептицизм, который поначалу охватывал отрасль, постепенно уходит в небытие.

“Сначала... вопросы, которые я получал в первые дни, сводились к следующему: ”Это невозможно... это ни за что не сработает", - говорит Давлантес. “Самые большие изменения, которые я видел, даже за последние пять лет years...is люди теперь верят, что это реально”.

Источник