تحقق رویای تسلا: ورود به عصر برق بی‌سیم

نگاهی به تاریخچه انتقال برق بی‌سیم

بهتر است، ابتدا کمی به تاریخچه این فناوری و چیستی و چرایی آن بپردازیم تا متوجه شویم چرا فناوری مذکور تا این اندازه اهمیت دارد و نقش تاثیرگذاری بر آینده ما خواهد داشت. 

در قرن نوزدهم تئوری‌های زیادی پیرامون نحوه انتقال برق مطرح شد. یکی از آن‌ها انتقال برق به‌صورت بی‌سیم بود. در سال ۱۸۹۱ دانشمند آمریکایی-صربستانی، نیکولا تسلا سیستمی منحصربه‌فرد تحت عنوان سیم‌پیچ تسلا طراحی کرد. او موفق شد، وسیله مخصوصی بسازد که بر اساس اصل تشدید الکتریکی کار می‌کرد و برق را بدون استفاده از سیم منتقل می‌کرد. البته تلاش او در جهت هدفی که داشت به نتیجه‌ای نرسید و نتوانست از طراحی خود یک محصول کاربردی و تجاری بسازد، زیرا تنها در فواصل کوتاه می‌توانست برق را منتقل کند. با این حال روش او، همچنان برای سیستم‌های بی‌سیم کوتاه‌برد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در تلاش دیگری، او یک سیستم انتقال بی‌سیم برق در جزیره لانگ تحت عنوان برج تسلا یا برج واردنکلیف (Tesla or Wardenclyffe Tower ) ایجاد کرد و بر این باور بود با استفاده از این سیستم می‌تواند برق را در مسافت طولانی به‌صورت بی‌سیم انتقال دهد، اما متأسفانه سرمایه‌گذار آزمایش‌های او، جی‌پی مورگان، حاضر به صرف هزینه بیشتر نشد، بنابراین پروژه متوقف و ساختمان ساخته شده در سال ۱۹۰۶ تخریب شد. در نتیجه تسلا نتوانست یک روش کاربردی برای انتقال برق بی‌سیم ارائه دهد.

نیکولا تسلا در سال ۱۹۴۳ درگذشت و رویای انتقال بی‌سیم برق او محقق نشد، اما در صد سال گذشته پژوهش‌ها و مطالعات زیادی برای اثبات صحت ادعای این دانشمند بزرگ انجام شد تا نشان دهد استفاده از زمین به‌جای سیم به‌عنوان یک رسانه برای انتقال بی‌سیم برق، ایده درستی بود. رویای تسلا فراموش نشد و امروزه متخصصان و شرکت‌های بسیاری در حال تحقیق و کار روی توسعه و پیاده‌سازی روش‌های مختلف انتقال برق بی‌سیم هستند. 

برق بی‌سیم با استفاده از ماهواره‌های خورشیدی 

با پیشرفت‌های فناوری اکنون ساخت یک شبکه انرژی بی‌سیم مبتنی بر انرژی خورشیدی و سیگنال‌های ریزموج (مایکروویو) دیگر یک رویای دور از دسترس نیست. ماهواره‌های خورشیدی که در مدار زمین قرار دارند و می‌توانند در آینده‌ای نزدیک به یک زیرساخت قابل اطمینان تامین انرژی تبدیل شوند، سیستم‌هایی هستند که نور خورشید را تجمیع می‌کنند و آن‌را تبدیل به نوعی انرژی می‌کنند که متشکل از ریزامواج است. در ادامه این ریزامواج‌ به آنتنی در زمین یا مستقیما به شبکه برق‌رسانی انتقال داده می‌شوند و در آن‌جا به برقDC  تبدیل می‌شوند تا برق موردنیاز منازل را تامین کنند یا به یک منبع ذخیره‌سازی انرژی ارسال شوند. این مدل پروژه‌ها به بودجه و سرمایه هنگفتی نیاز دارند. در همین ارتباط، دونالد برن، مالک شرکت سرمایه‌گذاری املاک و مستغلات شرکت ارواین Irvine Company و یکی از اعضای هیئت مدیره Caltech، بیش از ۱۰۰ میلیون دلار روی پروژه انرژی خورشیدی فضایی (SSPP) سرمایه‌گذاری کرد. هدف از این پروژه بلندپروازانه، ساخت سیستمی متشکل از ماهواره‌های خورشیدی و سیستم دریافت‌کننده ریزامواج‌ها و تبدیل آن‌ها به انرژی الکتریکی است تا بتواند برق موردنیاز هر نقطه از زمین را به‌طور دائم تأمین کند.

انتقال برق مبتنی بر ریزموج

انتقال برق ریزموج (MPT) سرنام Microwave Power Transmission، به معنای انتقال برق بی‌سیم در فرکانس‌های ریزموج از نقطه‌ای به نقطه دیگر است. در روش مذکور هنگام تابش ریزامواج، از یک دستگاه دریافت‌کننده و یکسوساز DC (دستگاهی که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند) استفاده می‌شود تا امواج به جریان برق قابل استفاده تبدیل شوند.

بیشترین راندمان تولید برق با استفاده از ریزامواج‌ها ۸۴ درصد ثبت شده است. این رکورد در سال ۱۹۷۵ توسط یک گروه تحقیقاتی ژاپنی ثبت شده است. البته محدوده این آزمایش‌ها کوتاه بود و نتایج موفقیت‌آمیزی برای انتقال انرژی با راندمان بالا در فواصل طولانی حاصل نشد. هدف بعدی ساخت سیستمی برای انتقال بی‌سیم برق به مسافت‌های دور است. در پژوهشی در دانشگاه تسوکوبا (University of Tsukuba) که نتایج آن در ماه اوت سال 2021 میلادی منتشر شد، ژاپن از سیستمی برای تابش ریزامواج‌ها با انرژی بالا رونمایی کرد که می‌تواند به‌عنوان یک منبع برق بی‌سیم کارآمد و قابل‌اعتماد برای پرتاب موشک به فضا استفاده شود. ۹۰ درصد وزن موشک‌های پرتاب‌شده به فضا، وزن مخزن سوخت آن‌ها است که می‌توان با بهره‌مندی از فناوری انتقال برق بی‌سیم بر پایه استفاده از انرژی ریز امواج، مخزن سوخت را از موشک‌ها حذف کرد که تحول بزرگی در ساخت آن‌ها به‌شمار می‌رود.

انتقال برق به روش لیزر

دیودهای لیزر حالت جامد مانند دیودهای ارتباطات فیبر نوری از بهترین مبدل‌های جریان مستقیم برق (DC) به لیزر هستند. با استفاده از انتقال برق به روش لیزر، گیرنده فتوولتائیک، پرتوهای لیزر را دریافت و به برق تبدیل می‌کند. پرتوهای لیزر برای انتقال برق بی‌سیم در فواصل طولانی به‌راحتی قابل مدیریت و کنترل هستند و این بزرگ‌ترین مزیت انتقال برق به شیوه لیزر است.

آیا رویای انتقال برق بی‌سیم تسلا، در نیوزلند تحقق می‌یابد؟

استارتاپ انرژی امرود، در حال کار روی نمونه اولیه زیرساخت مورد استفاده برای سیستم انتقال بی‌سیم برق در نیوزلند است. امرود در سیستم فوق یک فناوری انتقال انرژی از راه دور طراحی کرده که در آن از شبکه بی‌سیمی از آنتن‌ها و یکسوسازهای برق (یکسوسازی آنتنی) برای انتقال انرژی به‌شکل امواج الکترومغناطیسی از ‌یک نقطه‌ به ‌نقطه دیگر استفاده شده است. در روش مذکور الکتریسیته با استفاده از آنتن‌ها به‌شکل اشعه‌های غیریونی با فرکانسی برابر با فرکانس امواج رادیویی، انتقال داده می‌شوند. 

به‌گفته این استارت‌آپ، اطمینان از امنیت بالای لیزر کم‌انرژی، پژوهشگران را مطمئن کرده که اشعه‌های لیزر قبل از برخورد با اشیاء یا پرندگان در حال پرواز از بین می‌روند و خاموش می‌شوند، از این‌رو به مسئولان نیوزلند اطمینان داده‌اند که اشعه‌های لیزر به‌جز هوا با هیچ شیء یا پرنده دیگری تماس پیدا نمی‌کنند. این فناوری برای انتقال بی‌سیم برق در نیوزلند به‌دلیل موقعیت جغرافیایی خاصی که دارد، روش مناسبی است و می‌تواند در شرایط مختلف اقلیمی پایداری خود را حفظ کند. این فناوری برپایه یکسوسازی و تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ایجاد شده است.و برای برق‌رسانی به مناطقی که ایجاد شبکه برق‌رسانی در آن‌ها به‌دلیل شرایط جغرافیایی امکان‌پذیر نیست، سودمند است. در شرایطی‌که دولت نیوزلند از پروژه انتقال برق بی‌سیم شرکت امرود حمایت کرده، گرگ کوشنیر (Greg Kushnir)، مدیرعامل این استارتاپ می‌گوید: «مهم‌ترین چالش پیش روی ما، اطمینان دادن به مردم در مورد بی‌ضرر بودن اشعه‌های لیزر در سیستم مورد استفاده توسط این استارتاپ است».

امرد دفتری در شهر بوستون ایالات متحده دارد و به احتمال زیاد پروژه بعدی این شرکت انتقال بی‌سیم برق در آمریکا است. 

سایر ابتکارات و اقدامات انجام شده برای انتقال برق بی‌سیم

در کنار اینترنت اشیاء، هوش مصنوعی و فناوری‌هایی که انتظار می‌رود در سال‌های آینده بخش جدایی‌ناپذیر زندگی ما باشند، انتقال برق بی‌سیم یک فناوری در حال توسعه آینده‌دار است که دنیا به‌زودی شاهد آن خواهد بود. ایجاد روش‌های مؤثر و کارآمد، برای انتقال بی‌سیم برق به‌جای استفاده از روش‌های قدیمی و متداول انتقال برق می‌تواند تحولی بزرگ در حوزه تولید انرژی پاک باشد. شرکت آمریکایی فناوری WAVE سرنام Wireless Advanced Vehicle Electrification در زمینه تولید و طراحی ابزارهای لازم برای انتقال بی‌سیم برق به وسایل نقلیه کم‌مصرف و پرمصرف راهکارهایی برای شارژ سریع وسیله‌های نقلیه برقی ارائه کرده است. این شرکت در حال کار روی پروژه‌ طراحی سیستم‌های شارژ است که توسط این شرکت در زیر معابر، خودروها، پارکینگ‌ها و جاده‌ها قرار می‌گیرد و می‌تواند یک مگاوات برق را بدون نیاز به سیم انتقال دهد. این کار با قرار دادن یک سیم‌پیچ در زیر زمین و یک سیم‌پیچ در وسیله موردنظر انجام می‌شود. شارژرهای مخفی در زیر جاده‌ها و پارکینگ‌ها می‌توانند حداکثر توان ۱ مگاوات را ارائه کرده و وسیله‌های نقلیه را بدون اتصال به برق، شارژ ‌کنند. پیش‌بینی می‌شود که کامیون‌های برقی شرکت تسلا Semi اولین ماشین‌های نقلیه‌ای باشند که از این فناوری استفاده می‌کنند.

موسسه پژوهشی Beyond Earth در نظر دارد یک سیستم کارآمد برای انتقال بی‌سیم برق بر پایه استفاده از ماهواره‌های خورشیدی ایجاد کند. مسئولان این شرکت مدعی هستند که این سیستم می‌تواند انرژی موردنیاز صنایع مختلف را تامین کند و عملکرد آن به‌اندازه‌ای خوب است که حتا قادر به تامین انرژی موردنیاز برای فعالیت‌های انسان در کره ماه است. سیستم معرفی ‌شده توسط Beyond Earth دو بخش دارد. بخش اول یک ماهواره خورشیدی فضایی است که نور خورشید را دریافت می‌کند و برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق، دقیقا همان فرایندی را انجام می‌دهد که در پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک، سیستم‌های متمرکزکننده انرژی خورشیدی و واحدهای زیرمجموعه سیستم انتقال بی‌سیم برق اتفاق می‌افتد. بخش دوم گیرنده‌ای است که پس از دریافت انرژی تولیدشده، آن‌را به بخش‌های موردنظر زمین یا کره ماه ارسال می‌کند. طبق پیش‌بینی مسئولان این شرکت تکمیل این سیستم تا سال ۲۰۳۰ به‌طول می‌انجامد. 

تصور کنید که این شانس را دارید تا خودروی برقی خود را بدون نیاز به توقف به‌راحتی شارژ کنید. اداره حمل‌ونقل ایندیانا (The Indiana Department of Transportation) با مشارکت دانشگاه پردیو (Purdue University)  و شرکت سیمان‌سازی آلمانی مگمنت (Magment) در حال تحقیق روی پروژه‌ای برای ساخت یک جاده سیمانی مغناطیسی هستند تا هنگامی‌که خودروها روی آن حرکت می‌کنند، به‌صورت خودکار بدون سیم شارژ شوند.

در مرحله اول این طرح پژوهشی دانشگاه پردیو از طریق بررسی‌های آزمایشگاهی، پایدار ماندن یا نبودن جاده‌ها را بررسی می‌کنند. هنگامی‌که این موضوع از سوی پژوهشگران دانشگاه تأیید شود، جاده‌ای آزمایشی به طول ۴۰۰ متر با سیمان مغناطیسی تولیدی شرکت مگمنت ساخته می‌شود و برای شارژ کامیون‌های ۲۰۰ کیلوواتی مورد آزمایش قرار خواهد گرفت. اگر ساخت جاده آزمایشی موفقیت‌آمیز باشد، دولت آمریکا از این فناوری در جاده‌های عمومی استفاده خواهد کرد. 

شرکت آمریکایی ویتریسیتی (WiTricity) نیز در حال کار کردن روی فناوری خاصی است که اجازه می‌دهد هنگامی‌که خودروها در مکان خاصی پارک می‌شوند، با استفاده از مدارهای تشخیص مغناطیسی شارژ شوند. 

کلام آخر

اگر فناوری انتقال شارژ بی‌سیم برق با اینترنت اشیاء و هوش مصنوعی ترکیب شود، بدون تردید در آینده فناوری‌های شگفت‌انگیز ایجاد خواهند شد که می‌توانند انسان را به دنیای فناوری‌های جدید سوق دهند. به‌عنوان ‌مثال، شارژ بی‌سیم هوشمند که توسط برند موتورولا ابداع شده، یکی از این فناوری‌ها است. آن‌گونه که شرکت موتورولا اعلام کرده، در روش مذکور نیازی به استفاده از پد شارژر بی‌سیم برای شارژ گوشی‌ها یا وسایل مشابه نیست و این دستگاه‌ها می‌توانند در فاصله حدود ۹ متر از دستگاه شارژر نیز انرژی در بازه ۵ تا ۱۰ وات را بدون مشکل دریافت کنند.