به سوی شارژ بی‌سیم تلفن
اگر نخواهید گوشی خودتان را به برق وصل کنید، می توانید تلفن خود را روی یک پدِ شارژ قرار داده و شارژ کنید. در آینده حتی ممکن است لازم نباشد گوشی را روی زمین بگذارید. با همه این اوصاف، چالش اصلی شارژ از راه دورِ بی سیم مشکل بودن انتقال به مقدار کافی انرژی از امواج الکترومغناطیسی به باتری است. اکنون پژوهش گران مفهوم جدیدی را به اثبات رسانده اند که این مشکل را حل می کند که راه حل آنان مزایای بیشتری نسبت به روش های قبلی دارد. انتخاب دقیق امواج الکترومغناطیسی که از مدار باتری فرستاده شده و با میدان های مغناطیسی گیرنده در آنتن تداخل کند، روشی است که راندمان انتقال را بهبود بخشیده و می تواند به شارژ بی سیم از راه دور عملی تری منجر شود.
انتقال توان به شکل بی سیم در طول فواصل بیشتر از چند سانتی متر در الکترونیک تلفن، وسایل نقلیه ی الکتریکی و ایمپلنت های پزشکی مفید خواهد بود. در این خصوص چند سیستم آزمایشگاهی به اثبات رسیده [۱] اما هنوز انتقال توان از امواج با فرکانس رادیویی از یک آنتن به درون یک مدار الکتریکی به شکل مداوم و کارآمد، کاری دشوار است. این سیستم را می توان چنان آرایش داد تا در یک ترکیب بندی، توان ارسالی به مدار بیشینه شود، اما به محض آنکه فردی بین انتقال دهنده و قطعه ی گیرنده ی توان راه برود یا قطعه حرکت کند، توان رسیده به شدت کاهش می یابد.
مسئله این است که آنتن به سادگی تابش را جذب نمی کند؛ آنتن مقداری از تابش فرودی را به محیط پیرامونی خود ارسال می کند. یک ثابت جفت شدگی (یک عدد) مرتبط با هریک از این فرآیند ها وجود دارد؛ تابش به محیط پیرامونی و انتقال به مدار متصل (بار). وقتی این ثابت جفت شدگی ها برابر باشند می توان نتیجه گرفت که انتقال انرژی به مدار بیشینه است. اما اگر آنتن در نزدیکی شی ای حرکت کند که تابش را بازتاب می کند، ثابت جفت شدگی برای تابش تغییر پیدا کرده و سیستم از حالت تعادل خارج خواهد شد.
پژوهش گران برای مواجه با چنان مسائلی عناصر مداری قابل تنظیمی (همچون خازن ها یا القاگرها) را اضافه می کنند تا تعادل را بازگردانند. اما تغییر بار به گفته ی آندره آلو ( Andrea Alù ) از دانشگاه تگزاس در آستین و دانشگاه شهر نیویورک: «پیچیده و ناکارآمد است و اگر تغییرات شدید باشد کارآرایی خود را از دست می دهد».
آلو و همکارانش راه حل جدیدی را یافته اند. این روش شامل ارسال یک سیگنال با فاز و دامنه ی ویژه از بار به آنتن است. این سیگنال کمکی می تواند چنان تنظیم شود که انتقال موج به بار را از طریق تداخل موج بهبود بخشد که به شکل موثر عدم تعادل را در ثابت های جفت شدگی بدون هیچ نیازی به تغییر بار جبران کند. به بیان آلو، فاز و دامنه ی سیگنال کمکی را می توان با حلقه ی بازخورد که خودش را اتوماتیک با تغییر محیط پیرامونی تنظیم می کند، انتخاب کرد.
این تیم برای اثبات این موضوع از یک مبدل سیگنال برای تولید و تحویل توان میکروموج از آنتن انتقال دهنده به یک آنتن گیرنده به فاصله ی ۴۰ سانتی متر از آن استفاده کرده اند. یک کابل هم محور آنتن را به بار وصل کرده است. محققان نشان دادند که حتی با عدم تطابق بزرگ در ثابت جفت شدگی طرح آنان قادر است بیشینه توان را انتقال دهد.
به گفته ی شانهای فن ( Shanhui Fan ) از دانشگاه کالیفرنیا که این کار را «مبتکرانه» خوانده است: «این کار مفاهیم فیزیک کاربردی را برای بهبود انتقال توان بی سیم نشانه رفته است».
با این وجود موریس کسلر ( Morris Kesler ) افسر ارشد فنی ویتریسیتی (شرکتی که به اقتصادی کردن انتقال توان بی سیم می پردازد) می گوید که مزایای این رهیافت هنوز به اثبات نرسیده است. اگرچه به گمان وی این کار جدید ارزش پیگیری دارد، «رهیافت های دیگری برای تنظیم این عدم تطابق در طرف قطعه وجود دارد تا راندمان بهتری حاصل شود یا توان گرفته شده افزایش یابد و من هنوز متقاعد نشده ام که تلاش برای پیاده سازی این موضوع ارزشمند باشد». بویژه کسلر نگران است که در این آزمایش ها یک توان سیگنالی کمکی به اندازه ی ۱۰۰ میلی وات برای دریافت ۱۰۵ وات به شکل بی سیم نیاز است».
به گفته ی آلو: «در مورد مواردی در آن عدم تطابق زیادی دیده می شود، همچون آزمایش ما، لازم است تا یک توان حامل سیگنال بزرگ تری نسبت به توان دریافتی خالص منتقل شود. اما این برای تنظیمات کوچک (که می تواند سناریوی غالب باش) مناسب نیست ». علاوه بر آن وی می گوید: توان سیگنال کمکی به هدر نمی رود بلکه از آنتن به توان دریافت کننده مدار بازمی گردد».
این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
درباره ی نویسنده:
فیلیپ بال نویسنده ی علمی آزاد در لندن است؛ کتاب اخیر او فراتر از عجایب است که به بررسی مکانیک کوانتومی می پردازد.
مرجع:
- A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science ۳۱۷, ۸۳ (۲۰۰۷) .
منبع:
Wave Trick May Lead to Wireless Charging at a Distance