Что делать, если ваш смартфон или ноутбук начали заряжаться, как только вы переступили порог? Исследователи разработали специально построенную комнату, которая может передавать энергию на различные электронные устройства внутри нее, заряжая телефоны и запитывая бытовую технику без вилок или батарей.
Эта система “обеспечивает безопасную и мощную беспроводную передачу энергии в больших объемах”,-говорит Такуя Сасатани, доцент проекта Высшей инженерной школы Токийского университета и ведущий автор нового исследования, опубликованного на этой неделе в журнале Nature Electronics. В комнате используется то же явление, что и зарядные устройства для беспроводных телефонов ближнего действия: металлическая катушка, помещенная в магнитное поле, будет вырабатывать электрический ток.
Существующие коммерческие зарядные станции используют электричество из настенной розетки для создания магнитного поля на небольшой площади. Большинство последних смартфонов оснащены металлической катушкой, и когда такая модель) устанавливается на док-станцию, взаимодействие генерирует достаточно тока, чтобы зарядить батарею телефона. Но сегодняшние коммерческие продукты имеют очень ограниченный ассортимент. Если вы снимете телефон с док-станции или завернете его в слишком толстый чехол, беспроводная передача питания прекратится. Но если бы магнитное поле заполняло всю комнату, любой телефон в ней имел бы доступ к беспроводному питанию.
“Перспектива иметь комнату, где различные устройства могли бы просто получать питание в любом месте, действительно привлекательна и захватывающа”, — говорит Джошуа Смит, профессор компьютерных наук и электротехники Вашингтонского университета, который не принимал участия в новом исследовании. “И эта статья делает еще один шаг к тому, чтобы сделать это возможным”.
В исследовании описывают специальную испытательную комнату объемом около 18 кубических метров (примерно эквивалентную небольшому грузовому контейнеру), которую Сасатани построил из токопроводящих алюминиевых панелей с металлическим столбом посередине. Команда снабдила комнату лампой с беспроводным питанием и вентилятором, а также более прозаичными предметами, включая стул, стол и книжную полку. Когда исследователи пропускали электрический ток через стены, он создавал трехмерное магнитное поле в пространстве. Фактически, они разработали установку для создания двух отдельных полей: одно, которое заполняет центр комнаты, а другое, которое покрывает углы, что позволяет заряжать любые устройства в помещении, не сталкиваясь с мертвыми точками.
Проведя моделирование и измерения, Сасатани и его соавторы обнаружили, что их метод может обеспечить 50 Вт мощности по всей комнате, включив все устройства, оснащенные приемной катушкой, которые они тестировали: смартфон, лампочку и вентилятор. Однако при передаче была потеряна некоторая энергия. Эффективность доставки варьировалась от низкого уровня 37,1 процента до высокого уровня около 90 процентов, в зависимости от напряженности магнитного поля в определенных точках помещения, а также ориентации устройства.
Без мер предосторожности ток, проходящий через металлические стены комнаты, обычно заполняет ее двумя типами волн: электрическими и магнитными. Это представляет проблему, поскольку электрические поля могут выделять тепло в биологических тканях и представлять опасность для человека. Поэтому команда встроила в стены конденсаторы-устройства, которые накапливают электрическую энергию. “Он ограничивает безопасные магнитные поля в объеме помещения, одновременно ограничивая опасные части внутри всех компонентов, встроенных в стены”, — объясняет Сасатани.
Исследователи также проверили безопасность помещения, проведя компьютерное моделирование, измерив, чему будет подвергаться человеческое тело в цифровой модели помещения с питанием. Органы власти, такие как Федеральная комиссия по связи были установлены стандарты того, какому количеству электромагнитного излучения может безопасно подвергаться человеческое тело, и моделирование показало, что поглощение энергии в испытательной комнате будет оставаться значительно ниже допустимых пределов. “Мы не говорим прямо, что эта технология безопасна при любом использовании—мы все еще изучаем”,-говорит соавтор исследования Алансон Сэмпл, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Мичиганского университета. “Но это придает нам некоторую уверенность … что у нас все еще есть много возможностей быть значительно ниже этого порога мощности, где мы все еще можем заряжать ваш мобильный телефон так же легко, как вы входите в комнату, не беспокоясь об этих проблемах безопасности”.
Помимо телефонов, Сэмпл предполагает, что специальная беспроводная зарядная комната позволит различным электронным устройствам—датчикам, мобильным роботам или даже медицинским имплантатам—функционировать в фоновом режиме, заряжаясь без проводного подключения и позволяя людям в значительной степени игнорировать их. Этот метод также может быть применен к более специализированным ситуациям. “Я могу себе представить, что это действительно полезно для высокоинструментированных, дорогих помещений, таких как, например, операционная, — говорит Смит, — где вы можете представить, что различные инструменты и устройства могут просто питаться без необходимости в шнурах”.
Но эти приложения все еще находятся в далеком будущем. “Просто слишком обременительно покрывать алюминиевые листы по всем стенам—это преимущество пока не имеет смысла», — говорит Сэмпл. “Мы только что разработали совершенно новую технику. Теперь мы должны выяснить, как сделать это практичным”. Он планирует продолжить исследование того, может ли покрытие существующих помещений проводящим материалом или строительство специализированных стен, содержащих проводящие слои, позволить построить помещения для беспроводной зарядки, которые также соответствуют строительным нормам. Тем временем Сасатани надеется повысить эффективность передачи электроэнергии в помещении и устранить любые затяжные пятна, до которых не доходит заряд.
Беспроводная зарядка-это чрезвычайно конкурентоспособная концепция, в которой несколько стартапов соревнуются за передачу энергии с помощью электромагнетизма, лазеров или звуковых волн. “Многие люди интересуются подходами типа формирования луча, когда вы фактически генерируете распространяющуюся радиоволну и управляете ею”,-говорит Смит. “Преимущество подхода, описанного в этой статье, заключается в том, что поля преимущественно магнитные, что безопаснее и обеспечивает более высокую мощность при том же уровне безопасности по сравнению с фактической передачей распространяющейся радиоволны, где у вас примерно равные электрические и магнитные поля”. С другой стороны, указывает он, для зарядного луча не потребуется специально построенная металлическая комната с шестом посередине. Каждая техника может иметь свое собственное применение.