В дальнейшем Аскарьян и его коллеги планировали применить этот эффект для того, чтобы с Земли по СВЧ-каналу подзаряжать аккумуляторы спутников, используя в качестве «заправок» существующие наземные станции слежения. Они подсчитали, что это будет выгоднее установки солнечных батарей на борту. Но Советский Союз распался, и проект остался нереализованным. Конечно, результат, полученный группой Аскарьяна, еще нельзя назвать технологией, но обнаруженный неожиданный эффект вполне может лечь в основу будущей системы беспроводной передачи энергии — по ряду параметров он еще никем не превзойден.
Индукционная зарядка
И все же проблемы космических электростанций и летательных аппаратов, «заправляемых» лучом лазера, не касаются непосредственно жизни большинства людей. Иное дело — ноутбуки, мобильники, навигаторы, наладонники, фотоаппараты, видеокамеры и прочие гаджеты, число которых с каждым годом растет. И все их нужно периодически заряжать или постоянно питать энергией. У автора этой статьи на рабочем месте стоит «пилот» на 12 гнезд, и все заняты. Можете себе представить, какой там хаос проводов. «На связи, но не на привязи» — так можно перевести на русский язык девиз нового направления в развитии гаджетов — linked, not tied. Первый шаг в этом направлении сделан давно. Быть может, вы пользовались электрической зубной щеткой с индукционной зарядкой? Почистил зубы — и поставил на базу. Никаких открытых контактов там нет — как-никак прибор ставится в ванной, а щетка тем не менее заряжается. Отгадку стоит поискать в школьном курсе физики: помните, проходили такое явление, как электромагнитная индукция? Ток, идущий по одной катушке (в нашем случае она спрятана в подставке для щетки), порождает переменное магнитное поле, которое вызывает ток в другой катушке, расположенной очень близко, в идеале внутри первой (в самой щетке).
Следующий шаг — это широкая платформа, на которую можно просто положить любой гаджет и оставить заряжаться. В 2002 году такую технологию анонсировала компания Splashpower. Здесь тоже использовалась электромагнитная индукция, с той лишь разницей, что в гаджеты внедрялся чип-индуктор, который, с одной стороны, передавал информацию для настройки платформы именно под нужное устройство, а с другой — служил второй катушкой, принимающей электроэнергию и передающей ее в аккумулятор гаджета. Выход технологии на рынок обещали в 2003–2004 годах. Оказалось, поторопились. В 2008 году компания объявила о банкротстве и вхождении в состав корпорации Fulton Innovation, которая обещает то же самое, причем одной и той же электрической «доской» питать можно будет хоть мобильник, хоть кофеварку. Вовсю рекламируемая технология получила название eCoupled Intelligent Wireless Power.
Оба эти подхода (зарядка для одного прибора или универсальная) хоть и избавят нас от проводов, но не совсем. Да, провод не связывает гаджет с розеткой, но есть провод от розетки к док-станции. А хотелось бы, входя в квартиру, не думать о том, что телефон надо класть на зарядную платформу. Он должен сам начать заряжаться, как только вы откроете дверь. Что же, первые шаги к этому уже сделаны.
Проект космической электростанции компании Solaren включает солнечные батареи общей площадью почти квадратный километр и направленный СВЧ-передатчик (1).
Голубые кольца — импульсы СВЧ-излучения, идущие с орбиты на Землю (2).
Поле приемных ректенн поперечником несколько сотен метров (3).
Потребителям энергия доставляется традиционно — по проводам (4)
Гибрид трансформатора с радиоприемником
В 2006 году команда исследователей во главе с Марином Солячичем из знаменитого Массачусетского технологического института (MIT) предложила новый способ передачи энергии на расстояние, тогда еще только теоретически. История этого изобретения началась с того, что Солячич в шестой раз за месяц был разбужен под утро мобильным телефоном, который именно в это время самого сладкого сна напоминал о том, что его пора заряжать. Надо ли говорить, что каждый раз Солячич оставлял телефон не в спальне, а на кухне. В итоге молодой профессор MIT задумался о том, как научить телефон самостоятельно заботиться о своей зарядке.
Метод назвали резонансным магнитным связыванием (resonant magnetic coupling). Если описать его в двух словах, то можно сказать, что это гибрид трансформатора с радиоприемником. В трансформаторе колебания тока в одной катушке через посредство магнитного поля вызывают вынужденные колебания в другой. Но работает это только на малом расстоянии, стоит немного отодвинуть вторую катушку, как она перестает «подчиняться диктату» первой и получать от нее энергию. В радиоприемнике все наоборот: слабые электромагнитные волны на огромном расстоянии от источника раскачивают колебания в контуре антенны, когда его собственная частота совпадает с частотой волн. Однако большая часть излучения радиостанции при этом впустую рассеивается в окружающем пространстве, так что для передачи энергии этот метод не годится.
Резонансное магнитное связывание объединяет достоинства обоих устройств. Как и в трансформаторе, используются две магнитные катушки. Как и в радиосвязи, они включаются в приемный и передающий контуры, настроенные в резонанс друг с другом. Обычно связь между катушками трансформатора быстро ослабевает при удалении, а при удалении радиоприемника от источника сигнала быстро падает КПД передачи энергии. Но при одновременном использовании магнитной и резонансной связи, как показало компьютерное моделирование, падение КПД и индуцированного в приемнике тока происходит гораздо более плавно. На расстоянии в несколько радиусов катушки «резонансный» ток по компьютерным расчетам оказывался сильнее «нерезонансного» в миллион раз. Экспериментаторы из MIT поначалу даже не верили собственным вычислениям: так просто — и никто до сих пор не попробовал это сделать!
Кто заплатит за вайтрисити?
Опубликовав свои расчеты в журнале Science, авторы занялись экспериментальными исследованиями. Год спустя они уже передавали на 2 метра 15 сантиметров поток энергии в 60 ватт с КПД в 40% — достаточно, чтобы зажечь лампочку. По словам авторов, уже сейчас можно достичь того, чтобы ноутбук начинал заряжаться при вносе в комнату, оборудованную системой, которую они, готовясь к выходу на рынок, назвали WiTricity (вайтрисити) — от слов wireless electricity (беспроводное электричество).
Башня «Уорденклиф» (1902) — символ неудачной попытки Николы Тесла подступиться к проблеме беспроводной передачи энергии. Фото: CORBIS/FOTO SA
Прошло еще два года, и подобные технологии стали анонсировать гиганты мировой электроники. В октябре 2009 года Sony продемонстрировала 22-дюймовый ЖК-телевизор, который питается беспроводным способом на расстоянии 50 сантиметров от передатчика. «Если использовать специальные «пассивные расширители», то можно и все 80 сантиметров», — говорится в пресс-релизе Sony. Правда, тут же дана сноска мелким шрифтом о том, что с телевизором эти самые расширители не тестировались. Но даже если их опробовали только с лампочкой — тоже неплохо. Главное, что разработки идут широким фронтом. Создан «Консорциум беспроводной энергии» (Wireless Power Consortium), в котором предлагают участвовать всем желающим ( www.wirelesspowerconsortium.com ), и он уже готовит к выпуску стандарт технологии WiTricity. В ближайшем будущем нам обещают расширение радиуса действия до 5 метров, а это уже очень неплохо. Действительно, если разместить «катушку-передатчик» на потолке или под полом в центре комнаты, то в радиусе действия зарядки окажется все помещение. И, быть может, тогда хаос проводов на рабочем столе наконец-то удастся победить.
Долговременное воздействие на здоровье такого рода систем предстоит еще тщательно изучить. А вот то, что при существенном увеличении радиуса действия технологии возникнет серьезная юридическая коллизия, несомненно. Как регламентировать потребление электроэнергии? Проще говоря, кто будет платить за электричество, которое берется «из воздуха»? Впрочем, понятно кто — владелец «зарядного устройства», тот, кто юридически считается покупателем подведенной к нему обычными проводами энергии. Что же касается тех, кто этим пользуется... Если зарядка действует внутри дома-офиса, это еще понятно и нормально. Но как заблокировать пользование энергией «со стороны»? Вороватый сосед или просто посторонний человек, подойдя снаружи к стене вашей квартиры или дома, сможет бесплатно заряжать свои мобильники, ноутбуки или даже что-то посерьезнее, скажем, припаркованный у дома электромобиль. Ведь в отличие от беспроводной передачи информации по Wi-Fi или Bluetooth пароль на энергию не поставишь. Если учесть, что, скорее всего, подобная технология впервые активно заработает в США, где граждане имеют обыкновение судиться с соседом по любому поводу, журналистов ждут занятные информационные поводы: смекалистых людей за океаном тоже хватает.