Похоже, что эта фантастическая картина вскоре станет реальной. Компания Powercast в рамках последнего Consumer Electronic Show, проходившего в Лас-Вегасе, с помощью технологии, которую разработала группа физиков из MTI под руководством Марина Сольячича (Marin Soljačić), смогла зажечь по двухметровому беспроводному каналу лампочку мощностью 60 Вт.
Марин Сольячич (слева) с сотрудниками

С принципиальной точки зрения беспроводная передача энергии стала возможной еще в 30-х годах XIX столетия после изобретения Уильямом Старджеоном (William Sturgeon) в 1825 г. электромагнита и открытия Майклом Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции. Действительно, уже в 1836 г. Николас Каллан (Nicolas Callan) изобрел индукционную катушку. Она состояла из первичной и вторичной обмоток вокруг общего железного стержня. К первичной обмотке подсоединялась батарея, и при прерывании тока на концах более длинной вторичной возникала искра. Подобное устройство многим известно как катушка Румкорфа.

Другой простейший пример беспроводной передачи энергии – трансформатор. Его первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга, а передача энергии осуществляется за счет явления, известного как взаимная индукция. Правда, для снятия достаточной мощности необходимо, чтобы обмотки размещались вблизи одна от другой. Следовательно мобильные терминалы должны оборудоваться аккумуляторами, поддерживающими эту технологию, и основная задача в данном случае сводится к упрощению процедуры зарядки. Прямая доставка питания к ПК, телевизорам, пылесосам, лампочкам может осуществляться от бесконтактных источников, покрывающих большие площади стен, полов и т. п.

Представьте себе настольную лампу без электрошнура, которую можно поставить в любое удобное в данный момент место и зажечь, или пылесос, работающий сам по себе. Или, скажем, мобильный терминал, ноутбук, а также другие портативные электронные устройства, подзаряжающиеся без подсоединения к сети.

Похоже, что эта фантастическая картина вскоре станет реальной. Компания Powercast в рамках последнего Consumer Electronic Show, проходившего в Лас-Вегасе, с помощью технологии, которую разработала группа физиков из MTI под руководством Марина Сольячича (Marin Soljačić), смогла зажечь по двухметровому беспроводному каналу лампочку мощностью 60 Вт.
Марин Сольячич (слева) с сотрудниками

С принципиальной точки зрения беспроводная передача энергии стала возможной еще в 30-х годах XIX столетия после изобретения Уильямом Старджеоном (William Sturgeon) в 1825 г. электромагнита и открытия Майклом Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции. Действительно, уже в 1836 г. Николас Каллан (Nicolas Callan) изобрел индукционную катушку. Она состояла из первичной и вторичной обмоток вокруг общего железного стержня. К первичной обмотке подсоединялась батарея, и при прерывании тока на концах более длинной вторичной возникала искра. Подобное устройство многим известно как катушка Румкорфа.

Другой простейший пример беспроводной передачи энергии – трансформатор. Его первичная и вторичная обмотки электрически изолированы друг от друга, а передача энергии осуществляется за счет явления, известного как взаимная индукция. Правда, для снятия достаточной мощности необходимо, чтобы обмотки размещались вблизи одна от другой. Следовательно мобильные терминалы должны оборудоваться аккумуляторами, поддерживающими эту технологию, и основная задача в данном случае сводится к упрощению процедуры зарядки. Прямая доставка питания к ПК, телевизорам, пылесосам, лампочкам может осуществляться от бесконтактных источников, покрывающих большие площади стен, полов и т. п.

Рассмотренные выше методы эффективны только на очень коротких дистанциях, порядка сантиметра. Проблему расстояния решает передача энергии с помощью электромагнитного излучения. По сути, здесь используется тот же принцип, что и в детекторных однокристальных приемниках, популярных около ста лет назад, в которых переменный ток, индуцированный радиоволной, выпрямлялся без предварительного усиления.

Эффективность может быть достаточно высокой при использовании излучения в микроволновом диапазоне. При передаче также применяются направленные антенны, а преобразование выполняется с помощью так называемых ректенн (rectenna – от rectifying antenna) – антенн-выпрямителей. Эффективность преобразования при этом может достигать 95%. Однако для большинства приложений в микроволновом диапазоне требуются антенны с очень большой аппертурой и прямая видимость между излучателем и приемником.

В офисных и домашних условиях эта технология способна обеспечивать передачу сигнала мощностью от нескольких до сотен милливатт на расстоянии до 10 м. Она может быть использована в основном для обеспечения питанием мобильных терминалов в спящем режиме. Это позволяет увеличить активное время работы мобильного телефона от пяти до десяти часов.

Передачу можно также осуществлять посредством лазерного луча, а в качестве приемников использовать фотогальванические элементы. Среди недостатков этого метода – низкая эффективность преобразования электричества в свет и обратно, потери при прохождении через атмосферу и необходимость прямой видимости.

С точки зрения использования беспроводной передачи энергии в пределах жилища или офиса рассмотренные выше методы по очевидным причинам неприменимы. Наиболее перспективным здесь выглядит метод резонансной индуктивной связи – хорошо известное из электромагнитной теории поведение в ближнем поле связанных резонаторов, который предложил использовать для беспроводной передачи энергии Марин Сольячич в 2006 г.

Для дальнейшего нам понадобится обсудить такое понятие, как нераспространяющаяся (запредельная) волна, или экспоненциально затухающее поле. В световодах такое поле формируется на границе оптоволокна при полном внутреннем отражении распространяющегося света. Аналогичный эффект встречается и в СВЧ-волноводах при частых отражениях электромагнитной волны от его стенок. Здесь важно отметить, что нераспространяющиеся волны практически не отбирают энергию у основной волны.

В оптике нередко используется термин «связь с помощью нераспространяющейся волны». Он описывает процесс, когда нераспространяющаяся волна передается от одной среды к другой посредством экспоненциально затухающего электромагнитного поля. Связь обычно осуществляется между двумя или более электромагнитными элементами, такими как световоды, которые располагаются достаточно близко друг от друга, так что затухающее поле, генерируемое одним из элементов, достаточно сильно в окрестности остальных. Если принимающие световоды могут поддерживать моды соответствующих частот, затухающее поле генерирует в них эти моды, тем самым передавая световую волну от одного световода к другому.

Связь с помощью нераспространяющейся волны по своей сути идентична взаимодействию в ближнем поле в электромагнитной теории и имеет прямую аналогию с взаимодействием между первичной и вторичной обмотками трансформатора или пластинами конденсатора.

Как уже упоминалось выше, в 2006 г. Марин Сольячич с коллегами из MTI применил хорошо известное взаимодействие в ближнем поле для беспроводной передачи энергии на базе связанных резонаторов.

Схема экспериментальной установки: А – одновитковая петля радиусом 25 см – часть задающей цепи, которая излучает синусоидальную волну частотой 9,9 MHz; S и D – коаксиально расположенные катушки источника и приемника, соответственно; В – проволочная петля, присоединенная к нагрузке; KS и KD представляют прямую связь между объектами, указанными стрелками. Угол между катушкой D и петлей А выбирается таким образом, чтобы их прямая связь равнялась нулю

Два резонатора с одинаковой частотой собственных колебаний эффективно обмениваются энергией, при этом ее диссипация на внешних нерезонансных объектах является относительно слабой. Здесь можно вспомнить школьный опыт, когда два одинаковых маятника крепятся к общей подвеске. Если заставить раскачиваться один из них, то они начинают обмениваться энергией. Такая резонансная связь характерна для всех видов физических колебаний (механических, акустических, электромагнитных, магнитных, ядерных и т. п.). О системе связанных резонаторов часто говорят как о системе с сильной связью. Передача энергии на средние расстояния таким способом может осуществляться практически всенаправлено и эффективно безотносительно к геометрии окружающего пространства и с низкими интерференцией и потерями.

Для реализации своего проекта авторы выбрали магнитный резонанс, поскольку большинство обычных материалов не взаимодействует с магнитным полем. В системе из двух связанных магнитных резонаторов удалось достичь режима сильной связи на мегагерцевых частотах. На первый взгляд такой перенос энергии напоминает обычную магнитную индукцию. Однако следу-ет отметить, что нерезонансная индукция неэффективна для передачи энергии на средние расстояния. Следовательно, резонансная индуктивная связь решает две основные проблемы, характерные для нерезонансной индуктивной связи и электромагнитного излучения: расстояние и эффективность.

Экспериментальная установка содержала две катушки с одинаковыми частотами собственных колебаний. Одна из них (источник) связывалась индуктивно с задающей осциллирующей цепью, а другая (катушка устройства) точно таким же образом – с резистивной нагрузкой. Достижение резонанса осуществлялось за счет распределенных индуктивности и емкости. Катушки были сделаны из токопроводящей проволоки. В состоянии резонанса кривые тока и заряда были сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°.

В качестве задающей цепи был выбран стандартный осциллятор Колпиттса (Calpitts) с индуктивным элементом, представляющим собой одну медную петлю радиусом 25 см. Эта петля связывалась индуктивно с катушкой-источником. Нагрузка состояла из калиброванной электрической лампочки и присоединялась к петле изолированной проволоки, которая помещалась вблизи катушки устройства и индуктивно связывалась с ней.

Хотя в эксперименте обе катушки были одинаковых размеров, катушку-приемник, по мнению ученых, можно сделать достаточно малой, чтобы поместить ее в портативном устройстве без потери эффективности.