انتقال بیسیم انرژی: از ایده تسلا تا شارژرهای هوشمند
۱. مبانی انتقال بیسیم انرژی: القای الکترومغناطیسی
برای درک بهتر، یک شارژر بیسیم استاندارد را در نظر بگیرید. درون پد شارژر، یک سیمپیچ مسی وجود دارد که با عبور جریان متناوب، میدان مغناطیسی نوسانی تولید میکند. گوشی موبایل نیز دارای یک سیمپیچ گیرنده است. وقتی گوشی روی پد قرار میگیرد، میدان مغناطیسی از سیمپیچ گیرنده عبور کرده و در آن ولتاژ القا میکند. این ولتاژ توسط مدار داخلی گوشی به جریان مستقیم برای شارژ باتری تبدیل میشود.
راندمان این روش به فاصله و هممحوری سیمپیچها بستگی دارد. هرچه سیمپیچها به هم نزدیکتر و همراستاتر باشند، انرژی بیشتری منتقل میشود. فرمول تقریبی ولتاژ القا شده در سیمپیچ ثانویه به صورت زیر است:
$V_s = -M \frac{dI_p}{dt}$که در آن $V_s$ ولتاژ ثانویه، $M$ ضریب القای متقابل و $\frac{dI_p}{dt}$ نرخ تغییر جریان در سیمپیچ اولیه است. علامت منفی نشاندهنده جهت مخالف ولتاژ القایی است (قانون لنز).
۲. تشدید مغناطیسی: غلبه بر محدودیت فاصله
در این روش، به سیمپیچها خازن اضافه میشود تا یک مدار تشدید (LC) تشکیل دهند. وقتی فرکانس جریان ورودی با فرکانس طبیعی مدار برابر باشد، دامنه نوسانات میدان مغناطیسی به حداکثر میرسد. این میدان قوی میتواند یک مدار گیرنده را که در همان فرکانس تشدید است، تحت تأثیر قرار داده و انرژی را منتقل کند. یک مثال عینی، لامپی است که در فاصله ۲ متری از یک منبع تغذیه، بدون هیچ سیمی روشن میشود. فرکانس تشدید یک مدار LC از رابطه زیر به دست میآید:
$f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$در این فرمول، $f$ بسامد تشدید (برحسب هرتز)، $L$ القاگر (برحسب هنری) و $C$ خازن (برحسب فاراد) است.
۳. انتقال با امواج: مایکروویو و لیزر
برای فواصل بسیار دور (مانند انتقال انرژی از فضا به زمین یا تأمین انرژی هواپیماهای بدون سرنشین)، از امواج الکترومغناطیسی پرقدرت مانند مایکروویو یا لیزر استفاده میشود. در این روش، انرژی الکتریکی ابتدا به امواج الکترومغناطیسی تبدیل شده، توسط یک آنتن یا منبع لیزر ارسال و در سمت گیرنده، توسط آنتنهای مخصوص (رکتنا) دوباره به الکتریسیته تبدیل میشود.
به عنوان مثال، در پروژههای فضایی، پنلهای خورشیدی عظیم در فضا، انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل کرده و سپس به صورت امواج مایکروویو به زمین میفرستند. در زمین، آرایههای بزرگی از آنتنها این امواج را دریافت و به شبکه برق تزریق میکنند. چالش اصلی در این روش، پراکنده شدن امواج و کاهش شدید راندمان در فواصل زیاد و همچنین خطرات سلامتی ناشی از تابش امواج پرقدرت است.
۴. کاربردهای روزمره و پیشرفته فناوری
امروزه این فناوری در حوزههای مختلفی نفوذ کرده است. از شارژرهای استاندارد کیوآی (Qi) برای گوشیها و ساعتهای هوشمند گرفته تا شارژ بیسیم خودروهای برقی در پارکینگها. در پزشکی، از این روش برای شارژ باتری دستگاههای کاشتنی مانند ضربانساز قلب1 استفاده میشود که نیاز به جراحی مجدد برای تعویض باتری را کاهش میدهد. حتی در صنعت، برای تأمین انرژی سنسورها و رباتها در محیطهای خطرناک یا خلأ (مانند اتاق تمیز) کاربرد دارد.
| روش انتقال | برد مفید | راندمان تقریبی | کاربرد اصلی | وضعیت |
|---|---|---|---|---|
| القای الکترومغناطیسی | چند میلیمتر تا چند سانتیمتر | ۷۰٪ - ۹۰٪ | شارژر گوشی، مسواک برقی | تجاریشده |
| تشدید مغناطیسی | چند سانتیمتر تا چند متر | ۴۰٪ - ۷۰٪ | خودرو برقی، وسایل خانگی | در حال توسعه |
| امواج مایکروویو | چند کیلومتر | ۱۰٪ - ۳۰٪ | انتقال انرژی فضایی، پهپاد | تحقیقاتی |
۵. چالشهای مفهومی
بله، امواج الکترومغناطیسی پرقدرت (مخصوصاً در روش مایکروویو) میتوانند برای بافتهای زنده مضر باشند. به همین دلیل، توان انتقال در محصولات تجاری مانند شارژر کیوآی بسیار پایین است و میدان مغناطیسی تولید شده نیز بسیار ضعیفتر از میزانی است که بتواند بر سلامت انسان تأثیر بگذارد. استانداردهای سختگیرانهای برای ایمنی این دستگاهها وضع شده است.
مهمترین دلیل، افت راندمان در فواصل دور است. برای روشن کردن یک لامپ ۱۰۰ واتی در فاصله ۵ متری، ممکن است نیاز باشد ۱۰۰۰ وات انرژی از منبع ارسال شود که این یعنی هدررفت ۹۰٪ انرژی. همچنین تداخل امواج با وسایل الکترونیکی دیگر و هزینه بالای تجهیزات از موانع اصلی هستند.
از نظر علمی، این ایده کاملاً ممکن است و پروژههایی مانند "فضای خورشیدی" روی آن کار میکنند. چالش اصلی، ساخت آنتنهای عظیم و سبک در فضا و همچنین تبدیل پربازده انرژی به امواج مایکروویو و بازتبدیل آن به برق در زمین است. هزینه سرسامآور پرتاب تجهیزات به فضا نیز یکی دیگر از موانع بزرگ تجاریسازی آن است.
