03.08.2021 / 16:39

От башни Николы Теслы до гелиостанций: какой видят беспроводную технологию будущего

Розетка

ColiN00B /https://pixabay.com

Розетка

ColiN00B /https://pixabay.com

Wi-Fi сегодня дело обычное, но эта технология все еще имеет ограниченное распространение.

Без розеток и проводов

Сегодня беспроводной передачей электроэнергии никого не удивишь. В ходу компактные зарядные устройства для мобильных телефонов, планшетов, зубных щеток, электробритв и прочих гаджетов. Однако эта технология все еще имеет ограниченное распространение. В чем причина?

Идея Теслы

Основоположником концепции передачи энергии без проводов по праву считается легендарный американский инженер сербского происхождения Никола Тесла. Он занялся этим вопросом в начале 1880-х годов, когда у физиков сложились более или менее четкие представления о свойствах электромагнитного поля, и запатентовал множество изобретений.

Самым амбициозным творением Теслы стала телекоммуникационная башня, проект которой он задумал в 1898 году. Она предназначалась для некоммерческой радиотрансляции и, главное, для экспериментов по беспроводной передаче энергии.

Инженер считал Землю гигантским электрическим проводником, который можно эффективно использовать в промышленных целях.

В статье, опубликованной в феврале 1901 года, он писал: «Я создал установку, которая, если объяснять принцип ее работы простым языком, напоминала откачивающую помпу, вытягивающую электричество из Земли и посылающую его обратно в Землю с такой огромной скоростью, что это вызывало пульсации и возмущения, которые, распространяясь по Земле, как по проводам, регистрировались на больших расстояниях точно настроенными принимающими контурами.

Применяя такой способ, я смог передавать на расстояние не только слабые сигналы для установления связи, но и значительные количества энергии, а дальнейшие сделанные мной открытия убедили меня в том, что в конечном итоге мне удастся перемещать энергию без проводов».

Поскольку Тесла к тому времени пользовался большим авторитетом, он нашел инвесторов: банкир Джон Морган согласился финансировать строительство экспериментальной башни, а Джеймс Уорден выделил под нее принадлежащий ему участок на Лонг-Айленде, рассчитывая в будущем построить здесь «Радиогород».

Однако великий изобретатель переоценил проводимость земной поверхности и недооценил потерю мощности при передаче энергии без проводов. Его проект затормозился, а на фоне успехов радиотелеграфной системы Гульельмо Маркони потерял привлекательность для инвесторов: в 1906 году строительство башни остановилось, а еще через 11 лет ее снесли.

Тем не менее идея Теслы не умерла. В мае 1945 года киевский профессор Семен Тетельбаум опубликовал статью, в которой
впервые указал на возможность использования микроволнового электромагнитного излучения (СВЧ-излучения) для передачи энергии на большие расстояния.

Его предложения получили развитие, и сегодня технологии, созданные на этом принципе, внедрены практически повсеместно: от микроволновок для разогрева пищи до систем космической связи.

В поисках оптимума

В настоящее время известны пять способов беспроводной передачи энергии на расстояние. Микроволновой нашел широкое применение, но имеет низкую эффективность (потери составляют свыше 60%), поэтому крайне редко используется для электроснабжения с большой потребляемой мощностью.

Более совершенной является лазерная передача: если используемая длина волны близка к оптической, то луч может быть уловлен фотоэлементом, который преобразует его в электричество.

Потери при преобразовании составляют 50%, но у фотоэлементов есть перспектива улучшения КПД за счет применения многослойных материалов, поэтому главными недостатками лазерного способа считаются зависимость от условий окружающей среды (например, в тумане луч рассеивается) и необходимость обеспечения прямой видимости между приемником и передатчиком.

Третий способ основан на давно известном и применяемом в технике принципе электромагнитной индукции: переменный ток, протекающий через обмотку, создает магнитное поле, которое действует на соседнюю обмотку, индуцируя в ней такой же ток.

В 2008 году был разработан стандарт Qi для беспроводной зарядки мобильных устройств с помощью этого способа: гаджет достаточно положить на базовую станцию, которая подключена к обычной электросети, чтобы он начал получать энергию.

К сожалению, индукция работает только на очень малых расстояниях (не более 4 см для принятого стандарта), а процесс обмена сравнительно медленный.

Принципиально новым выглядит передача энергии с помощью ультразвука. В 2011 году демонстратор соответствующей технологии представили публике студенты Пенсильванского университета: установка порождала ультразвуковые волны, которые приемник преобразовывал в электричество.

При эксперименте расстояние между ними составляло не более 10 м, и понятно, что с его увеличением мощность будет падать. Хотя идея кажется весьма оригинальной, вряд ли она получит широкое распространение в технике.

Зато пятый способ, принцип которого был впервые реализован на работоспособной системе WiTricity в мае 2007 года исследователями из Массачусетского технологического института, вполне имеет шанс стать основой для энергетики будущего.

Они использовали так называемую магнитно-фазовую синхронную связь, когда передающая и приемная обмотки настроены на одну и ту же резонансную частоту, что позволяет осуществлять обмен энергией с гораздо меньшими потерями (около 15%), чем при электромагнитной индукции.

Проект привлек внимание, и в него были инвестированы значительные средства со стороны таких компаний, как Toyota, Delphi, TDK, Intel Capital и других.

Основное применение технологии виделось в беспроводной зарядке электромобилей, но как раз это направление оказалось наименее подходящим для внедрения в массовое производство: от пользователя требовалось построить специальный гараж, который пройдет сертификацию и будет снабжен средствами защиты.

Не слишком удачным оказался и комплект для зарядки ноутбуков. Тем не менее технология магнитно-фазовой связи развивается, патенты накапливаются, и, вероятно, в ближайшем будущем ей найдут оптимальное применение, разработав некий стандарт.

Вечный двигатель

Ракета

NASA-Imagery/https://pixabay.com/

Ракета

NASA-Imagery/https://pixabay.com/

Нужно помнить, что беспроводная энергетика больших мощностей всегда будет проигрывать обычной энергетике из-за высоких потерь при передаче. Поэтому имеет смысл ее внедрять, только если существует ресурс, который «бесконечен» с практической точки зрения.

Таким уникальным ресурсом является Солнце. Его масштабное использование в земных условиях проблематично, ведь половину суток занимает ночь, свет сильно рассеивается атмосферой, а солнечные батареи капризны и зависят от погодных условий.

Но что, если отправить гелиостанцию в космос, а передачу осуществлять посредством микроволнового излучения на наземные приемные пункты? Тогда потерями можно пренебречь — они полностью покрываются бесперебойными поставками «дармовой» и «чистой» энергии.

План создания большой группировки орбитальных гелиостанций был разработан в начале 1990-х годов специалистами Исследовательского центра имени М. В. Келдыша.


Они предлагали вывести на полярную орбиту, где всегда видно Солнце, от 10 до 30 станций с генерируемой мощностью 1,5–4,5 ГВт; при этом наземный потребитель получал бы 0,75–2,25 Гвт.

Эксплуатацию первой станции планировали начать в 2020 году, а еще через 40 лет собирались довести численность группировки до 800 единиц, подняв потребительскую мощность до 960 ГВт, что позволило бы, например, полностью отказаться от атомной энергетики.

К сожалению, амбициозный проект до сих пор остается на уровне разработок общего плана. В то же время Японское космическое агентство начиная с 1998 года ведет последовательную программу исследований по созданию собственной гелиостанции: ее прототип предполагают отправить на орбиту в 2030 году.


Гелиостанции с микроволновыми передатчиками можно использовать не только для земных потребностей, но и для снабжения космических аппаратов, направляющихся к дальним границам Солнечной системы или даже к звездам. В таком случае беспроводная энергетика обретет поистине вселенский масштаб.