העברה אלחוטית של חשמל למרחקים: לקוחות פוטנציאליים, שיטות ומכשירים קיימים ללא חוטים

כשהיא הופיעה לראשונה, זרם חשמלי לסירוגין נראה כמו פנטזיה. הממציא שלה, הפיזיקאי המבריק ניקולה טסלה, בתחילת המאות ה-19 וה-20 חקר את בעיית השידור האלחוטי של חשמל למרחקים ארוכים. עד כה, בעיה זו לא נפתרה במלואה, אך התוצאות מעודדות.

אולטרסאונד להעברת אנרגיה

כל גל נושא אנרגיה, כולל גלי קול בתדר גבוה. קיימות שלוש גישות להעברת חשמל אלחוטית:

• העברת אנרגיה חשמלית באמצעות המרה לצורת אנרגיה אחרת במקור והמרה הפוכה לחשמל במכשיר הקולט;
• יצירה ושימוש במוליכי חשמל חלופיים (תעלות פלזמה, עמודות אוויר מיונן וכו') );
• שימוש בתכונות המוליכות של הליתוספירה של כדור הארץ.

שיטת האולטרסאונד שייכת לגישה הראשונה. בסוג מיוחד של מקור אולטרסאונד, כאשר מופעל כוח, נוצרת אלומה מכוונת של גלי קול בתדר גבוה. כאשר הם פוגעים במקלט, האנרגיה של גלי הקול מומרת לזרם חשמלי.

המרחק המרבי להעברת כוח ללא חוטים הוא 10 מטר. התוצאה התקבלה בשנת 2011 על ידי נציגי אוניברסיטת פנסילבניה במהלך מצגת בתערוכה "The All Things Digital". שיטה זו אינה נחשבת למבטיחה בשל כמה מחסרונותיה: יעילות נמוכה, מתח נמוך המתקבל ומגבלה על עוצמת קרינת האולטרסאונד בסטנדרטים סניטריים.

יישום אינדוקציה אלקטרומגנטית

למרות שרוב האנשים אפילו לא מודעים לכך, שיטה זו הייתה בשימוש כבר זמן רב מאוד, כמעט מתחילת השימוש בזרם חילופין. שנאי AC הנפוץ ביותר הוא מכשיר העברת הכוח האלחוטי הפשוט ביותר, רק שמרחק השידור קצר מאוד.

הפיתולים הראשוניים והמשניים של השנאי אינם מחוברים במעגל אחד, וכאשר זורם זרם חילופין בפיתול הראשוני, נוצר זרם חשמלי במשני. במקרה זה, העברת האנרגיה מתרחשת דרך שדה אלקטרומגנטי. לכן, שיטה זו של העברת חשמל אלחוטית משתמשת בהמרת אנרגיה מסוג אחד לאחר.

מספר מכשירים כבר פותחו ונמצאים בשימוש מוצלח בחיי היומיום, שהפעלתם מבוססת על שיטה זו. מדובר במטענים אלחוטיים לטלפונים ניידים וגאדג'טים אחרים, ומכשירי חשמל ביתיים בעלי צריכה נמוכה. חשמל במהלך הפעולה (מצלמות במעגל סגור קומפקטיות, כל מיני חיישנים ואפילו טלוויזיות עם LCD מסכים).

מומחים רבים טוענים שרכבים חשמליים של העתיד ישתמשו בטכנולוגיות אלחוטיות כדי להטעין סוללות או לייצר חשמל לנהיגה. בכבישים יותקנו סלילי אינדוקציה (אנלוגים של הפיתול הראשוני של השנאי). הם ייצרו שדה אלקטרומגנטי לסירוגין, שכאשר רכב יעבור מעליו, יגרום לזרם חשמלי לזרום בסליל הקליטה המובנה. הניסויים הראשונים כבר בוצעו והתוצאות שהתקבלו מעוררות אופטימיות מאופקת.

מבין היתרונות של שיטה זו, ניתן לציין:

• יעילות גבוהה למרחקים קצרים (מסדר גודל של מספר מטרים);
• פשטות העיצוב וטכנולוגיית יישום שליטה;
• בטיחות יחסית לבריאות האדם.

החיסרון של שיטה זו - המרחק הקטן בו העברת האנרגיה יעילה - מקטין משמעותית את תחום היישום של חשמל אלחוטי המבוסס על אינדוקציה אלקטרומגנטית.

שימוש במיקרוגלים שונים

שיטה זו מבוססת גם על המרה של סוגים שונים של אנרגיה. גלים אלקטרומגנטיים בתדר גבוה במיוחד משמשים כנשא של אנרגיה. לראשונה שיטה זו תוארה ויושמה באופן מעשי בהתקנתו על ידי הפיזיקאי וטכנאי הרדיו היפני Hidetsugu Yagi בשנות העשרים של המאה הקודמת. תדירות גלי הרדיו להעברת חשמל אלחוטית נעה בין 2.4 גיגה-הרץ ל-5.8 גיגה-הרץ. מערך ניסוי כבר נבדק וקיבל משוב חיובי, אשר מפיץ בו זמנית Wi-Fi ומפעיל מכשירי חשמל ביתיים בעלי הספק נמוך.

קרן הלייזר היא גם קרינה אלקטרומגנטית, אך בעלת תכונה מיוחדת - קוהרנטיות. זה מפחית את הפסדי האנרגיה במהלך השידור ובכך מגביר את היעילות. מבין היתרונות, ניתן לציין את הדברים הבאים:

• אפשרות העברה למרחקים ארוכים (עשרות קילומטרים באטמוספירה של כדור הארץ);
• נוחות וקלות התקנה עבור מכשירים בעלי הספק נמוך;
• נוכחות של שליטה חזותית בתהליך השידור - קרן הלייזר גלויה לעין בלתי מזוינת.

לשיטת הלייזר יש גם חסרונות, דהיינו: יעילות נמוכה יחסית (45-50%), הפסדי אנרגיה עקב תופעות אטמוספריות (גשם, ערפל, ענני אבק) והצורך באיתור המשדר והמקלט בשטח רְאוּת.

סיכויי אנרגיה סולארית

עוצמת אור השמש מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ גבוהה פי כמה עשרות מאשר על פני כדור הארץ. לכן, בעתיד, לפי עתידנים, תחנות כוח סולאריות ימוקמו במסלול קרוב לכדור הארץ. והעברת החשמל המצטבר, לדעתם, תתבצע ללא חוטים נושאי זרם. תפתח ותיושם שיטת שידור, העתקת פריקות ברק, מתוכנן ליינן את האוויר בצורה כזו או אחרת. והניסויים הראשונים בכיוון זה כבר בוצעו. שיטה זו מבוססת על יצירת מוליכים חלופיים זרם חשמלי אלחוטי.

החשמל האלחוטי מתקבל בדרך זו ממסלול קרוב לכדור הארץ הוא אימפולסיבי באופיו. לכן, לצורך יישומו המעשי, יש צורך בקבלים חזקים וזולים, ויהיה צורך גם לפתח שיטה לפריקה הדרגתית שלהם.

השיטה היעילה ביותר

כדור הארץ הוא מעבה ענק. הליתוספירה מוליכה בעיקר חשמל, למעט חלקים קטנים ממנה. יש תיאוריה שהעברת אנרגיה אלחוטית יכולה להתרחש דרך קרום כדור הארץ. השורה התחתונה היא כזו: מקור הזרם יוצר קשר אמין עם פני כדור הארץ, זרם חילופין בתדר מסוים זורם מהמקור לקרום ו מתפשט לכל הכיוונים, במרווחים מסוימים באדמה ממוקמים מקלטי זרם חשמלי, שמהם הוא מועבר צרכנים.

מהות התיאוריה היא לקבל ולהשתמש בזרם של תדר נתון אחד בלבד. כמו במקלט רדיו, תדירות קליטת גלי הרדיו מותאמת, כך במקלטים חשמליים כאלה תותאם תדירות הזרם הנקלט. תיאורטית, בשיטה זו ניתן יהיה להעביר חשמל למרחקים ארוכים מאוד, אם תדירות זרם החילופין נמוכה, בסדר גודל של כמה הרץ.

סיכויים להעברת חשמל אלחוטית

בעתיד הקרוב, צפויה הצגת המונית של מערכת PoWiFi, המורכבת מנתבים עם פונקציית שידור. חשמל לכמה עשרות מטרים, ומכשירי חשמל ביתיים, המופעלים באמצעות קבלת חשמל מגלי רדיו. מערכת כזו נמצאת כעת בבדיקה אקטיבית ומוכנה לשימוש נרחב. הפרטים לא נחשפו, אך לפי מידע זמין, "השיא" הוא בכך שהוא משתמש בסנכרון של השדות האלקטרומגנטיים של מקור ומקלט החשמל האלחוטי.

בעתיד הרחוק מאוד נשקלת האפשרות לנטוש את השימוש בתחנות כוח מסורתיות בקנה מידה עולמי - ישמשו תחנות סולאריות במסלול נמוך על כדור הארץהמרת אנרגיית אור השמש לאנרגיה חשמלית. יש להניח כי החשמל יועבר אל פני כדור הארץ דרך אוויר מיונן או תעלות פלזמה. ועל פני כדור הארץ ייעלמו קווי חשמל קונבנציונליים, ומערכות קומפקטיות ויעילות יותר להעברת חשמל דרך הליתוספירה יתפסו את מקומן.