فناوری انتقال بی‌سیم برق چگونه انرژی موردنیاز دستگاه‌ها را تامین می‌کند

تلاش دانشمندان برای دستیابی به فناوری انتقال بی‌سیم انرژی

در شرایطی که فناوری انتقال بی‌سیم انرژی یک فناوری آینده‌نگرانه به‌نظر برسد، اما واقعیت چیزی دیگری است. نیکولا تسلا اواخر دهه 1800 تئوری‌هایی در زمینه‌ انتقال انرژی به‌شکل بی‌سیم را مطرح کرد که یکی از دیدنی‌ترین نمایش‌های او برق‌رسانی از راه دور (رعد برق‌های مصنوعی با قابلیت تخلیه‌ الکتریکی تا میلیون‌ها ولت) در آزمایشگاهش در کلرادو اسپرینگز بود. اگرچه کار تسلا در آن زمان حیرت‌انگیز بود، اما به دلایل مختلف، سرمایه‌گذاران و شرکت‌های بزرگ از طرح او پشتیبانی نکردند تا این روش ابداعی منحصر‌به‌فرد

به‌شکل گسترده عملیاتی نشود و مورد استفاده قرار نگیرد. از آن زمان تا به امروز، پژوهشگران روش‌های مختلفی را برای انتقال برق در فواصل طولانی بدون استفاده از سیم توسعه داده‌اند. البته، برخی از آن‌ها در حد تئوری باقی ماندند، اما برخی دیگر راه خود را به وسایل مصرفی مثل مسواک‌های برقی‌ باز کردند که ممکن است برخی از شما از آن استفاده کنید. کاری که تسلا کرد حیرت‌انگیز بود، اما این‌طور نبود که خیلی سریع به ‌روش کاربردی و در سطح گسترده برای توزیع بدون سیم برق تبدیل شود. از آن زمان، محققان طرح‌های زیادی را برای انتقال الکتریسیته در مسافت‌های طولانی بدون نیاز به ‌سیم ارائه کرده‌اند. بعضی‌ها فقط در حد نظریه یا نمونه اولیه باقی ماندند، اما برخی مورد استفاده قرار گرفتند (شکل 1).

شکل 1

امواج رادیویی از جنس انرژی هستند و مردم روزانه از آن‌ها برای ارسال و دریافت سیگنال‌های تلفن همراه، تلویزیون، رادیو و وای‌فای استفاده می‌کنند. به‌طور کلی امواج رادیویی این قابلیت را دارند که در همه‌ جهات پخش شوند و توسط آنتن‌هایی که با فرکانس امواج تنظیم شده‌اند، جذب شوند. البته، انتقال توان الکتریکی به روش فوق خطراتی دارد و اگر به‌درستی مورد استفاده قرار نگیرد، ناکارآمد است. 

به‌طور مثال، مسواک‌های برقی که ارتباط مستقیمی با آب دارند ممکن است برای افراد خطرآفرین باشند، به‌ویژه هنگامی که پس از اتمام کار، مسواک خیس در محفظه شارژ قرار می‌گرد. علاوه بر این، رطوبت به‌سرعت باعث خراب شدن بوردها و مولفه‌های سخت‌افزاری این محصولات می‌شود. همین مسئله باعث شده تا بیشتر مسواک‌ها از طریق تکنیک جفت‌شدگی القایی (Inductive Coupling) شارژ ‌شوند (شکل شماره 2).

شکل 2

برای آن‌که شناخت دقیقی درباره عملکرد انتقال الکتریسیته به روش جفت‌شدگی القایی داشته باشید، اجازه دهید به سراغ مسواک برقی برویم. به‌طور کلی پایه و دسته‌ مسواک برقی شامل سیم‌پیچ‌هایی است که به باتری اجازه‌ شارژ مجدد می‌دهد. این قضیه طی فرآیند جفت‌شدگی القایی صورت می‌گیرد که در آن از میدان‌های مغناطیسی‌ استفاده می‌شود که به‌شکل طبیعی از حرکت جریان الکتریسیته در سیم‌پیچ تولید می‌شوند. هر زمان که جریان الکتریکی از سیم‌پیچ عبور می‌کند، میدان مغناطیسی به‌شکل دایره‌ای در اطراف سیم‌پیچ ایجاد می‌شود. در همین راستا افزایش سیم‌های خمیده در اطراف هسته‌ سیم‌پیچ، میدان مغناطیسی را تقویت می‌کند. بنابراین، هرچه حلقه‌های سیم‌پیچ بیشتر باشند، میدان مغناطیسی بزرگ‌تر می‌شود. اگر سیم‌پیچ دوم (در دسته‌ مسواک) در میدان مغناطیسی ایجادشده توسط سیم‌پیچ اول (پایه‌ مسواک یا همان شارژر) قرار گیرد، میدان مغناطیسی اولی می‌تواند جریان الکتریکی را در سیم‌پیچ دومی القا کند و به این ترتیب مسواک برقی شارژ می‌شود (شکل 3).

شکل 3

جریان الکتریکی از طریق سیم‌پیچ داخل شارژر جریان پیدا می‌کند که باعث می‌شود میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ ایجاد شود. هنگامی که مسواک در شارژر قرار می‌گیرد، میدان مغناطیسی جریانی را در سیم‌پیچ دوم القا می‌کند که به باتری متصل است. این مکانیزم، باتری مسواک برقی را شارژ می‌کند. این همان تکنیکی است که ترانسفورمرها بر مبنای آن کار می‌کنند. به‌طور کلی، از همین تکنیک برای شارژ تجهیزات و گجت‌های دیگری که مجهز به فناوری شارژر بی‌سیم هستند، استفاده می‌شود. البته، روش‌های دیگری نیز برای انتقال الکتریسیته در فواصل طولانی‌تر وجود دارد که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد. در حقیقت، این فرآیند از سه مرحله اصلی زیر تشکیل شده است:

•  جریان از پریز برق به ‌سمت سیم‌پیچ شارژر می‌رود و یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. در ترانسفورماتور به ‌آن سیم‌پیچ اولیه گفته می‌شود. 
•  وقتی مسواک روی شارژر قرار می‌گیرد، میدان مغناطیسی جریانی را در سیم‌پیچ دیگر که به ‌آن سیم‌پیچ ثانویه گفته می‌شود القا می‌کند، که به‌ باتری وصل می‌شود.
•  در نهایت باتری دستگاه شارژ می‌شود. 

می‌توان از همین تکنیک ساده برای شارژ چند دستگاه به‌شکل هم‌زمان استفاده کرد. البته، دستگاه‌های الکترونیکی تنها زمانی قادر به استفاده از تکنیک فوق هستند که مجهز به مدارهای شارژ بی‌سیم باشند. 

شارژ به شیوه بی‌سیم و تشدید

(Resonance and Wireless Power)

دستگاه‌های برقی خانگی میدان‌های مغناطیسی نسبتا کوچکی تولید می‌کنند. به همین دلیل، شارژرهایی که در فاصله‌ زیادی نسبت به دستگاه اصلی قرار دارند، قادر نیستند به روش القائی تجهیزات را شارژ کنند، زیرا در روش شارژ به روش جفت‌شدگی القائی، نیاز است که سیم‌پیچ شارژر و دستگاه منبع در نزدیکی یک‌دیگر قرار داشته باشند. چرا برای حل این مشکل از میدان‌هایی بزرگ‌تر و قوی‌تر برای القای جریان در دستگاه‌هایی که از هم دور هستند، استفاده نمی‌شود؟ چنین فرآیندی عملکرد مطلوبی را ندارد. به بیان دقیق‌تر، از آن‌جایی که یک میدان مغناطیسی در همه جهات پخش می‌شود، بزرگ‌تر کردن آن باعث اتلاف انرژی می‌شود که بهره‌وری را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. در نوامبر 2006 میلادی، پژوهشگران MIT اعلام کردند راهکاری کارآمدی برای انتقال جریان الکتریکی میان سیم‌پیچ‌هایی که در فاصله‌ چند متری قرار دارند، ابداع کرده‌اند. این تیم تحقیقاتی به مدیریت مارین سولیاسیچ (Marin Soljacic) این فرضیه را مطرح کرد که می‌توان با افزودن پارامتر رزونانس (Resonance) به معادلات مربوط به انتقال جریان، فاصله‌ میان سیم‌پیچ‌ها را افزایش داد و شارژر بی‌سیم از نوع رزونانسی ساخت. اما رزونانس (تشدید) به چه معنا است؟ 

ساختار فیزیکی یک شیء مثل ترومپت را برای درک این مسئله تصور کنید که اجازه می‌دهد شناخت بهتری از تعیین فرکانس ارتعاش طبیعی به‌دست آورید. فرکانس ارتعاشات طبیعی، به زبان فنی «فرکانس تشدیدی» (Resonant Frequency) آن دستگاه نامیده می‌شود. در حالت کلی، به ارتعاش در آوردن صدا در اجسامی مثل ترومپت با هدف دستیابی به فرکانس رزونانسی کار ساده‌ای است، اما هنگامی که قصد دارید تا دستگاه‌ها ارتعاش را در فرکانس‌های دیگر تولید کنند، کار سخت می‌شود. به‌همین خاطر است که اگر با یک ترومپت شروع به ‌نواختن کنید ترومپتی که نزدیک به ‌آن است شروع به ‌ارتعاش می‌کند، زیرا هر دو ترومپت فرکانس تشدید یکسان دارند.

به‌گفته محققان MIT، اگر میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف سیم‌پیچ‌ها با فرکانس یکسانی تشدید شوند، فرآیند القا جریان الکتریکی می‌تواند با کمی تفاوت به‌شکل بهینه‌ای انجام شود. در تئوری مذکور از سیم‌پیچ منحنی‌شکل به‌عنوان یک سلف استفاده می‌شود، در ادامه، یک خازن صفحه‌ای که توانایی نگه‌داری شارژ الکتریکی را دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد و به هر دو انتهای سیم‌پیچ متصل می‌شود. با عبور الکتریسیته از این سیم‌پیچ، سلف شروع به لرزش می‌کند. 

مادامی‌که هر دو سیم‌پیچ خارج از محدوده‌ یک‌دیگر باشند اتفاقی نمی‌افتد، زیرا میدان‌های اطراف سیم‌پیچ‌ها به اندازه‌ کافی قوی نیستند که روی هم تاثیرگذار باشند. اگر دو سیم‌پیچ در فرکانس‌های تشدیدی مختلفی به لرزه درآیند، بازهم هیچ اتفاقی نمی‌افتد. حال اگر دو سیم‌پیچ تشدیدی با فرکانس‌هایی یکسان در چند متری یک‌دیگر قرار گیرند، جریان‌ انرژی‌ از سیم‌پیچ فرستنده به سیم‌پیچ گیرنده حرکت می‌کند. بر اساس این تکنیک، یک سیم‌پیچ می‌تواند هر وسیله‌ای را که در محدوده‌ قرار دارد شارژ کند، به‌شرطی که سیم‌پیچ‌ها فرکانس تشدید یکسانی داشته باشند (شکل 4).

شکل4

بر مبنای نظریه فوق، یک سیم‌پیچ می‌تواند جریان الکتریسیته را برای چند وسیله‌ گیرنده ارسال کند، به‌شرطی که همه آن‌ها در یک فرکانس تشدیدی قرار داشته باشند. محققان این روش را انتقال انرژی تابشی (Non-Radiative Energy Transfer) نام‌گذاری کرده‌اند، زیرا میدان‌های ثابت در اطراف سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود. این گروه تحقیقاتی نشان دادند که این سیستم می‌تواند تمام دستگاه‌های داخل اتاق را روشن یا شارژ کند. البته، اگر مسافت طولانی یا ابعاد محیط بزرگ شود، باید تغییراتی در ساختار معماری فوق به‌وجود آورد تا قابل استفاده باشد. 

انتقال بی‌سیم جریان الکتریسیته در فواصل زیاد

مهم نیست شارژر بی‌سیم از نوع القائی یا تشدیدی برای تامین انرژی تجهیزات برقی استفاده کنید. به‌طور کلی، این دو روش در فواصل طولانی عملکرد مطلوبی ندارند، زیرا توان لازم برای انتقال جریان الکتریسیته در فواصل چند کیلومتری یا حتا از زمین به فضا را ندارند. 

در دهه 1980، مرکز تحقیقات ارتباطات کانادا هواپیمای کوچکی طراحی کرد که قادر بود پرتوهای انرژی را از زمین خارج کند. به عبارت دقیق‌تر، هواپیمای بدون سرنشین که SHARP  سرنام

Stationary High Altitude Relay Platform نام داشت، نقش یک رله‌ داشت. هواپیمای کوچک شارپ به‌جای پرواز از نقطه‌ای به نقطه دیگر، این قابلیت را داشت که به‌شکل دایره‌هایی به قطر دو کیلومتر و در ارتفاع حدود 21 کیلومتری پرواز کند. بخش جالب داستان این بود که هواپیما می‌توانست برای چند ماه به پرواز ادامه دهد (شکل 5).

شکل 5

راز پرواز طولانی‌مدت شارپ این بود که فرستنده‌‌ بزرگی در زمین مستقر بود که امواج مایکروویو را ارسال می‌کرد. مسیر پرواز دایره‌ای این هواپیما آن را در محدوده‌ این فرستنده نگه می‌داشت. از طرفی یک آنتن یک‌سوکننده بزرگ به‌شکل دیسک درست در پشت بال‌های هواپیما طراحی شده بود که انرژی امواج مایکروویو حاصل از فرستنده را به جریان مستقیم تبدیل می‌کرد. به همین دلیل، تعامل امواج مایکروویو با آنتن یکسوکننده اجازه می‌داد مادامی‌که هواپیمای شارپ در محدوده‌ فرستنده‌ قرار دارد، نقش منبع تغذیه ثابت را بازی کرده و انرژی آن‌را تامین کند. آنتن‌های یکسوکننده نقش اساسی در بیشتر روش‌های انتقال برق دارند. این آنتن‌ها آرایه‌هایی از آنتن‌های دوقطبی مثبت و منفی دارند و به دیودهای نیمه‌هادی متصل می‌شوند. در حالت کلی، این آنتن‌ها بر مبنای معماری زیر کار می‌کنند: 

1.  امواج مایکروویو که بخشی از طیف الکترومغناطیس هستند که به آنتن دوقطبی می‌رسند.
2.  آنتن که انرژی مایکروویو را جمع می‌کند و به دیودها انتقال می‌دهد.
3.  دیودها مثل سوئیچ عمل می‌کنند، یعنی باز یا بسته هستند و اجازه می‌دهند تا الکترون‌ها فقط در یک جهت حرکت کنند. آن‌ها الکترون‌ها را به‌سمت مدار آنتن یکسوکننده هدایت می‌کنند.
4.  سپس، مدارها الکترون‌ها را به‌سمت بخش‌ها و سیستم‌هایی که به آن‌ها نیاز دارند ارسال می‌کنند. 

بخش عمده‌ای از ایده‌های انتقال انرژی با برد طولانی‌تر بر مبنای آنتن‌های یکسو‌کننده کار می‌کنند. دیوید کریسول از دانشگاه هوستون، استفاده از امواج مایکروویو برای انتقال الکتریسیته از نیروگاه‌های خورشیدی قابل استقرار در ماه به زمین را پیشنهاد داده است. به این ترتیب که ده‌ها هزار گیرنده روی زمین این انرژی را جذب و آنتن‌های یکسوکننده آن را به الکتریسیته تبدیل کنند (شکل 6).

شکل 6

امواج مایکروویوها به‌راحتی می‌توانند از اتمسفر عبور کنند و آنتن‌ها می‌توانند امواج مایکروویو را به‌شکل موثری به جریان الکتریسیته تبدیل کنند. همچنین، آنتن‌های یکسوکننده زمین می‌توانند در چارچوبی مشبکی ساخته شوند تا اثرات زیست‌محیطی به‌حداقل برسد. در کنار تمام مزایایی که این ایده‌ها دارند معایبی نیز دارند که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد:

•  ایستگاه‌های برق خورشیدی روی ماه نیازمند نظارت، مراقبت و نگه‌داری هستند. به بیان دیگر، این پروژه به ایستگاه‌های با ثبات روی ماه نیاز دارد که نیروی انسانی در آن مشغول به ‌کار باشند.
•  تنها بخش خاصی از زمین در هر زمان مشخص دارای خط دید مستقیم به ماه است. از این‌رو، شبکه‌ای از ماهواره‌ها نیاز است تا بتوانند امواج مایکروویو را هدایت کنند.
•  خیلی‌ها مخالف این ایده هستند که به‌طور دائم در معرض امواج مایکروویو که از سمت فضا به زمین ارسال می‌شود قرار بگیرند، حتا اگر خطرات آن نسبتا کم باشد.

اگرچه دانشمندان نمونه‌های اولیه‌ای از هواپیمایی ساخته‌اند که با برق بی‌سیم کار می‌کند، اما کاربردهای در مقیاس خیلی بزرگ‌تر مانند ساخت ایستگاه‌های برق روی ماه، در حد یک نظریه هستند. با توجه به افزایش فعلی جمعیت کره زمین، نیاز به جریان الکتریسیته به اندازه کافی که امکان تولید و انتقال آن به نقاط مختلف وجود داشته باشد، کار سختی است. به همین دلیل، انتقال بدون سیم برق نه فقط یک ایده جالب و جذاب، بلکه یک ضرورت است.