Специалисты лаборатории метаматериалов Университета ИТМО и «НИИ Гириконд» показали, что эффективные системы беспроводной передачи энергии можно создавать на керамических диэлектриках. Результаты моделирования проверили экспериментально: без использования проводов удалось зажечь светодиодную лампочку на расстоянии 30 см.
В 2007 году в журнале Science вышла статья группы профессора Массачусетского технологического института (MIT) Марин Солячича, в которой ученые рассказали об удачных испытаниях беспроводной системы передачи энергии. На расстоянии более чем в 2,5 метра им удалось зажечь 60-ваттную лампочку за счет резонансного взаимодействия двух медных катушек. Одна из них была подключена к источнику переменного электрического тока, который создавал в ней распространяющееся магнитное поле: его частота зависела от частоты подаваемого тока и характеристик катушки так же, как периодичность движений качелей зависит от усилий сидящего ребенка и параметров самих качелей. Потом магнитное поле доходило до второй катушки, которая была настроена на ту же самую резонансную частоту(как одинаковые качели склонны качаться с одинаковой периодичностью), и создавало в ней переменный ток, которым уже можно было запитать лампочку.
Этот принцип стал основой коммерческой технологии WiTricity, которую сейчас используют для беспроводных зарядок мобильного телефона. В продаже такие устройства появились недавно, и пока они похожи скорее на стационарные базы радиотелефонов, чем на беспроводные точки питания: для подзарядки мобильный телефон нужно аккуратно разместить на подключенной в сеть панели. В будущем ученые обещают избавиться от необходимости физического контакта с базой, но пока это невозможно по двум причинам. Во-первых, беспроводная передача энергии на основе резонансного метода достаточно эффективна только на маленьких расстояниях (резонансные катушки внутри базы и телефона все-таки разделяет несколько сантиметров корпусов этих устройств), а во-вторых, для зарядки нужно подобрать правильную взаимную ориентацию источника и приемника в пространстве.
Эффективней и стабильней: преимущества нового метода
В своей работе специалисты лаборатории метаматериалов Университета ИТМО и «НИИ Гириконд» использовали тот же резонансный метод, но внесли несколько изменений в конструкцию устройства. Медные катушки они заменили на диэлектрические керамические резонаторы, в которых магнитное поле можно возбуждать с меньшими потерями энергии, а для передачи энергии использовали более высокие частоты резонаторов, на которых магнитное поле обладает более сложной структурой и меньше затухает при распространении в пространстве.
Теоретическая эффективность нового подхода достигает 80% и почти не падает с расстоянием, в то время как в работе MIT при удалении приемника от источника она уменьшается вплоть до 40%. Кроме того, предложенная российскими учеными система беспроводной передачи энергии более устойчива к изменению взаимной ориентации приемника относительно источника.
В эксперименте ученым пока удалось передать около 1 Вт мощности на расстояние 20—30 см на частотах около 2 ГГц. Сейчас исследователи начали новые испытания. «Наши коллеги из «НИИ Гириконд» разработали новые образцы керамики с большим значением диэлектрической проницаемости и малыми потерями, что позволит еще больше увеличить расстояние передачи энергии, а также перейти на рабочие частоты в области десятков МГц, безопасные для человека», — рассказал «Чердаку» один из авторов статьи, научный сотрудник Университета ИТМО, Полина Капитанова.
Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters
В будущем беспроводную передачу электричества рассчитывают использовать не только для зарядки телефонов и ноутбуков, но и для заправки электрокаров и даже передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение