В документе, опубликованном 23 октября 2016 г. в репозитории препринтов arXiv, инженеры из Университета Дьюка, Вашингтонского университета и Фонда науки об изобретениях (ISF) компании Intellectual Ventures показывают, что технология для создания такой системы уже существует — это только вопрос времени на его разработку.«Будь то наушники, сотовые телефоны, часы или даже мышь и клавиатура, главное раздражение для потребителей — это необходимость быть привязанным к шнурам для подзарядки батарей», — сказал Дэвид Смит, профессор и заведующий кафедрой электротехники и вычислительной техники. у герцога. «И, конечно, они всегда разряжаются в самый неподходящий момент.
Предлагаемая нами система могла бы автоматически и непрерывно заряжать любое устройство в любом месте в комнате, оставляя мертвые батареи в прошлом».Некоторые системы беспроводной зарядки уже существуют для питания колонок, сотовых телефонов и планшетов. Однако эти технологии основаны на платформах, для которых требуются собственные провода, а устройства необходимо размещать в непосредственной близости от зарядной станции.Это связано с тем, что существующие зарядные устройства используют резонансное магнитное поле в ближней зоне для передачи энергии.
Магнитное поле, создаваемое током, протекающим в катушке с проволокой, может быть довольно большим рядом с катушкой и может индуцировать аналогичный ток в соседней катушке. Магнитные поля также обладают дополнительным преимуществом, поскольку считаются безопасными для воздействия на человека, что делает их удобным выбором для беспроводной передачи энергии.Однако подход магнитного поля в ближней зоне не подходит для передачи энергии на большие расстояния.
Это связано с тем, что связь между источником и приемником — и, следовательно, эффективность передачи энергии — быстро падает с расстоянием. Система беспроводной передачи энергии, предложенная в новом документе, работает на гораздо более высоких микроволновых частотах, где расстояние передачи энергии может выходить далеко за пределы комнаты.Для поддержания разумных уровней эффективности передачи энергии ключом к системе является работа в зоне Френеля — области электромагнитного поля, которое можно сфокусировать, позволяя плотности мощности достигать уровней, достаточных для зарядки многих устройств с высокой эффективностью.
«Пока вы находитесь на определенном расстоянии, вы можете создавать антенны, которые собирают электромагнитную энергию и фокусируют ее, так же, как линза может фокусировать луч света», — объяснил Смит.На сегодняшний день проблема заключается в том, что антенны в системе беспроводной передачи энергии должны иметь возможность фокусироваться на любом устройстве в комнате. Это можно сделать, например, с помощью подвижной антенной тарелки, но это займет слишком много места, и никому не нужна большая подвижная спутниковая тарелка на каминной полке.Другое решение — фазированная решетка — антенна с множеством сгруппированных вместе крошечных антенн, каждую из которых можно независимо настраивать и настраивать.
Эта технология также существует, но была бы слишком дорогостоящей и потребляла бы слишком много энергии для домашнего использования.Решение, предложенное Смитом и его коллегами в новой статье, вместо этого основывается на метаматериалах — синтетическом материале, состоящем из множества отдельных сконструированных клеток, которые вместе производят свойства, не встречающиеся в природе.«Представьте, что у вас есть фронт электромагнитной волны, движущийся по плоской поверхности, состоящей из тысяч крошечных электрических ячеек», — сказал Смит. «Если вы можете настроить каждую ячейку для управления волной определенным образом, вы можете точно указать, как будет выглядеть поле, когда оно выходит на другую сторону».
Если эта технология кажется надуманной, это не так. Смит и его лаборатория использовали этот принцип для создания первого в мире маскирующего устройства, которое изгибает электромагнитные волны вокруг удерживаемого внутри объекта.Несколько лет назад Натан Кундц, бывший аспирант и постдок группы Смита, возглавил команду ISF, которая разработала технологию метаматериалов для спутниковой связи.
Команда основала компанию Kymeta, которая создает мощные плоские антенны, которые вскоре смогут заменить гигантские вращающиеся спутниковые тарелки, которые часто можно увидеть на больших лодках. Три другие компании, Evolv, Echodyne и Pivotal, также были основаны с использованием различных версий метаматериалов для визуализации, радиолокации и беспроводной связи соответственно.«Одна из самых замечательных особенностей нашего подхода к этой проблеме заключается в том, что он позволяет нам производить наши антенны на тех же заводах, которые производят ЖК-телевизоры», — сказал Кундц. ЖК-дисплей относится к жидкокристаллическим дисплеям; именно жидкий кристалл, интегрированный с элементами из метаматериала, обеспечивает возможность реконфигурируемых спутниковых антенн Kymeta.
Kymeta производит антенны на этой производственной мощности около года.В этой статье Смит и его коллеги проводят расчеты, чтобы проиллюстрировать, на что способна беспроводная система электропитания на основе метаматериалов. Согласно результатам, плоское устройство из метаматериала размером не больше обычного телевизора с плоским экраном могло фокусировать лучи микроволновой энергии до точки размером с сотовый телефон на расстоянии до 10 метров. Он также должен обеспечивать питание более чем одного устройства одновременно.
«Возможность безопасно направлять сфокусированные лучи микроволновой энергии для зарядки определенных устройств, избегая при этом нежелательного воздействия на людей, домашних животных и других объектов, — это кардинальное изменение для беспроводной энергетики», — сказал соавтор Мэтт Рейнольдс, доцент кафедры электротехники. и информатика и инженерия в Вашингтонском университете. «Предлагаемый нами подход с использованием зон Френеля использует преимущества широко используемой ЖК-технологии для обеспечения бесперебойной беспроводной подачи энергии на все виды интеллектуальных устройств. И мы ищем альтернативы жидким кристаллам, которые могли бы обеспечить передачу энергии с гораздо более высокими уровнями мощности на большие расстояния. . "Конечно, есть проблемы при разработке такой системы беспроводной передачи энергии.
Потребуется разработка мощного, недорогого и высокоэффективного источника электромагнитной энергии. Система должна автоматически отключиться, если человек или домашнее животное войдут в сфокусированный электромагнитный луч. А программное обеспечение и элементы управления линзы из метаматериала необходимо оптимизировать для фокусировки мощных лучей при подавлении любых нежелательных вторичных «призрачных» лучей.
Но технология есть.«Все эти проблемы можно преодолеть — они не являются препятствиями», — сказал Смит. «На самом деле мы придумали несколько хороших аналитических формул для зон покрытия и эффективности, которые были бы возможны.
Я думаю, что создание такой системы, которая может быть встроена в потолок и заряжать по беспроводной сети все в комнате, является очень осуществимой схемой. Более того. , есть версии концепции, которые могут передавать большую мощность на гораздо большие расстояния »