انتقال برق بدون سیم

تصویر: برق از یک شبکه به یک فرستنده می آید، و از طریق هوا به یک گیرنده و سپس به دستگاهی که از برق استفاده می کند، وارد می شود. جاستین ویلر ، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا ، CC BY-ND
 
در اوج کار، مهندس برق پیشگام نیکولا تسلا با یک ایده وسوسه شد.. وی این نظریه را مطرح کرد که برق می تواند به صورت بی سیم از طریق هوا به فواصل دور منتقل شود – و این کار یا از طریق یک سری برج های استراتژیک، و یا از طریق یک سیستم از بالن های معلق ممکن است.
 
همه چیز طبق برنامه پیش نرفت و آرزوهای تسلا برای یک منبع برق بی سیم جهانی هرگز محقق نشد. اما خود این نظریه رد نشد: این صرفاً به یک توان فوق العاده احتیاج می داشت که بیشتر آن تلف می شد.
 مطمئناً آینده ای بی سیم در راه است.اکنون، یک مقاله تحقیقاتی حاکی از آن است که معماران شبکه 5G ممکن است ناخواسته آنچه را تسلا در آغاز قرن بیستم موفق به ساخت آن نشد، ساخته باشند: یک "شبکه برق بی سیم" که می تواند برای شارژ یا تأمین انرژی دستگاه های کوچک جا سازی شده در اتومبیل ها، خانه ها، محل های کار، و کارخانه ها سازگار باشد.
 
از آنجا که  5G به یک شبکه متراکم از دکل ها و یک سری آنتن قدرتمند متکی است، ممکن است همان زیر ساخت، با برخی تنظیمات، توان انتقال برق به دستگاه های کوچک را داشته باشد. اما این نوع انتقال هنوز از نقص اصلی برج های تسلا رنج خواهد برد: اتلاف زیاد انرژی، که توجیه آن با توجه به فوریت بحران آب و هوا ممکن است دشوار باشد.
 

شبکه های 5G

 
تصویر: عکس سیاه و سفید برج برق. یکی از برج های تسلا، که در سال 1904 از آن عکس گرفته شده است.
 
چند دهه پیش، کشف شد که یک پرتو رادیویی کاملاً متمرکز می تواند توان را در فواصل نسبتاً زیاد بدون استفاده از سیم برای حمل بار الکتریکی، انتقال دهد. اکنون از همین فناوری در شبکه 5G استفاده شده است: آخرین نسل فناوری برای پرتوی اتصال اینترنت به تلفن شما، از طریق امواج رادیویی منتقل شده از آنتن محلی.
 
این فناوری 5G، هدف گذاری شده است برای فراهم آوری یک افزایش ظرفیت 1000 برابری نسبت به فناوری نسل قبل، 4G، تا بتواند در هر کیلومتر مربع اجازه اتصال به یک میلیون کاربر بدهد – و به این ترتیب، لحظه های دشوار جستجوی سیگنال در جشنواره های موسیقی یا رویدادهای ورزشی را به حافظه تاریخ بسپارد.
 سیستم هایی که می توانند تنظیم شوند - یا بهتر از آن، این که وقتی فرستنده ها و گیرنده ها دقیقاً در یک راستا نباشند می توانند خود به خود متوجه این امر شوند و به طور خودکار تنظیم شوند - بسیار کارآمدتر هستند.برای پشتیبانی از این به روز رسانی ها، 5G از جادوی مهندسی استفاده می کند و این جادو در سه قسمت وجود دارد: شبکه های بسیار متراکم با دکل های بسیار بیشتر، فناوری آنتن ویژه و گنجاندن انتقال موج میلی متری (mmWave) در کنار باندهای سنتی.
 
آخرین مورد، mmWave ، به قیمت مسافت های انتقال کوتاه تر، پهنای باند بیشتری را باز می کند. برای زمینه، اکثر روترهای WiFi در باند 2 گیگا هرتز کار می کنند. اگر روتر شما از گزینه 5 گیگا هرتز برخوردار باشد، متوجه خواهید شد که فیلم ها روانتر پخش می شوند - اما برای کار کردن باید به روتر نزدیکتر باشید.
 
فرکانس را بیشتر افزایش دهید (مانند mmWave که با سرعت 30 گیگا هرتز یا بیشتر کار می کند) تا حتی بهبودهای بیشتری در پهنای باند مشاهده کنید - اما برای دسترسی به آن باید به ایستگاه پایه نزدیک تر باشید. به همین دلیل دکل های 5G دارای تراکم خوشه ای بیشتری نسبت به دکل های 4G هستند.
   
تصویر: یک ماژول آنتن 5G روی دکل. دکل های 5G از تراکم خوشه ای بیشتری نسبت به نمونه های قبلی خود برخوردار هستند. لیسیچ / شاتر استوک
 
آخرین جادو اضافه کردن آنتن های دیگر است - بین 128 تا 1024 تا در مقایسه با تعداد بسیار کمتری (در بعضی موارد فقط دو مورد) برای 4G. آنتن های متعدد به دکل ها این امکان را می دهد تا صدها پرتو مدادی مانند را تشکیل دهند که دستگاه های خاصی را هدف قرار می دهند، و اینترنت کار آمد و قابل اطمینان تلفن را در حال حرکت ارائه می دهند.
 در مورد بیماری که هرگز نیازی به تعویض باتری ضربان ساز خود نخواهد داشت یا سیستم جاده ای که می تواند هنگام رانندگی، وسایل نقلیه برقی را شارژ کند، فکر کنید.اینها اتفاقاً همان مواد اولیه لازم برای ایجاد شبکه برق بی سیم هستند. افزایش تراکم شبکه از اهمیت ویژه ای برخوردار است، زیرا امکان استفاده از باندهای mmWave برای انتقال امواج رادیویی مختلف را ایجاد می کند که می توانند هم اتصال اینترنت را فراهم نمایند و هم برق را حمل کنند.
 

آزمایش کردن با توان 5G

در این آزمایشات از انواع جدید آنتن ها برای سهولت شارژ بی سیمی استفاده شده است. در آزمایشگاه، محققان توانستند توان 5G را در فاصله نسبتاً کوتاهی، کمی بیش از 2 متر، تابش کنند، اما آنها انتظار دارند که نسخه بعدی دستگاه آنها بتواند 6 میکرو وات (یعنی 6 میلیونیم وات) را در یک فاصله 180 متری منتقل کند.
 
برای این که این مقدار در زمینه نیاز، ملموس باشد باید بگوییم دستگاه های رایج اینترنت اشیا (IoT) حدود 5 میکرو وات مصرف می کنند - اما فقط هنگامی که در عمیق ترین حالت خواب خود هستند. مطمئناً، با توسعه الگوریتم های هوشمندانه و الکترونیک کارآمدتر، دستگاه های اینترنت اشیا برای کار کردن به انرژی کمتر و کمتری نیاز خواهند داشت ، اما 6 میکرو وات هنوز انرژی بسیار کمی است.
 
این بدان معناست که حداقل در حال حاضر، بعید است که استفاده روتین از انرژی بی سیم 5G برای شارژ تلفن همراه شما در طول روز عملی باشد. اما این می تواند دستگاه های اینترنت اشیا مانند حسگرها و دزدگیرها را شارژ یا روشن کند، که انتظار می رود استفاده از آن در آینده گسترده شود.
 این نوع انتقال هنوز از نقص اصلی برج های تسلا رنج خواهد برد: اتلاف زیاد انرژی، که توجیه آن با توجه به فوریت بحران آب و هوا ممکن است دشوار باشد.به عنوان مثال، در کارخانه ها، از صدها حسگر اینترنت اشیا محتملاً برای نظارت بر شرایط موجود در انبارها، پیش بینی خرابی در ماشین آلات یا رد یابی حرکت قطعات در امتداد یک خط تولید استفاده می شود. امکان تابش مستقیم برق به این دستگاه های اینترنت اشیا، حرکت به سمت روش های تولید بسیار کارآمد تر را تشویق می کند.
 

مشکلات اولیه

اما پیش از آن چالش هایی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. برای تأمین برق بی سیم، دکل های 5G هر کدام حدود 31 کیلو وات انرژی مصرف می کنند – که معادل 10 کتری است که به طور پیوسته آب را به جوش می آورند.
 
اگر چه دانشمندان به طور گسترده ای نگرانی در این موضوع که فناوری 5G می تواند باعث سرطان شود را بی مورد دانسته اند، این میزان انرژی ناشی از دکل ها می تواند ایمن نباشد. یک محاسبه تقریبی نشان می دهد که کاربران باید حداقل 16 متر از دکل ها فاصله داشته باشند تا مطابق با مقررات ایمنی تعیین شده توسط کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده عمل کرده باشند.
 
همان طور که گفته شد، این فناوری در مراحل ابتدایی است. قطعاً ممکن است رویکردهای آینده، مانند استفاده از آنتن های جدید با پرتوهای باریک تر و هدفمندتر، بتوانند به میزان قابل توجهی انرژی مورد نیاز - و نیز انرژی هدر رفته - توسط هر دکل را کاهش دهند.
 
در حال حاضر، سیستم پیشنهادی تقریباً یاد آور داستان "Wonkavision" در "چارلی و کارخانه شکلات" ساخته روالد دال است که به شهرت انتشار شیرینی پزی در تلویزیون دست یافت - اما مجبور بود از یک قطعه شکلات بسیار بزرگ برای تولید یک نوع بسیار کوچکتر در انتهای دیگر استفاده کند.
 یک پرتو رادیویی کاملاً متمرکز می تواند توان را در فواصل نسبتاً زیاد بدون استفاده از سیم برای حمل بار الکتریکی، انتقال دهد.از آن جا که در مقایسه با قدرتی که به دستگاه ها می رساند، مقدار زیادی انرژی مصرف می کند، در حال حاضر، استفاده از توان انتقال یافته توسط بی سیم 5G حدس و گمان است. اما اگر مهندسان بتوانند راه های کارآمدتری برای تابش برق از طریق هوا پیدا کنند، ممکن است رؤیای نیکولا تسلا برای برق بی سیمی تحقق یابد - بیش از 100 سال پس از زمان شکست تلاش های او در این رابطه.
 

شارژ بی سیمی

 
تصویر: فقط تلفنتان را پایین بگذارید و خواهید دید که شارژ می شود. ویسانو بونراود  / Shutterstock.com
 
گرچه روزهای تلفن های دیواری سیم دار در حال پایان است و ارتباطات اینترنتی بی سیم در خانه و در حال حرکت معمول است، اما مردم برای شارژ دستگاه های تلفن همراه خود همچنان به سیم ها وابسته هستند. تحقیقات ما و سایر افراد در این زمینه متمرکز بر روی کار بر روی چشم انداز حذف نیاز به استفاده از سیم های برق، با شارژ مجدد باتری به صورت بی سیم است.
 برق به امواج الکترو مغناطیسی تبدیل می شود که وقتی به مقصد می رسند، دو باره به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند هر چند یک سیستم شارژ بی سیمی مجبور است انرژی بیشتری در مقایسه با انتقال و دریافت یک سیگنال رادیویی مصرف کند.همان طور که گفته شد، نیکولا تسلا مهندس برق پیشگام در این زمینه، انتقال قدرت از طریق هوا و بدون سیم را در دهه 1890 تصور کرد. این اصل مشابه نحوه دریافت سیگنال رادیویی از ایستگاه رادیویی توسط گیرنده شماست - برق به امواج الکترو مغناطیسی تبدیل می شود که وقتی به مقصد می رسند، دو باره به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند هر چند یک سیستم شارژ بی سیمی مجبور است انرژی بیشتری در مقایسه با انتقال و دریافت یک سیگنال رادیویی مصرف کند.
 
تا به امروز، یک مشکل اساسی این بوده است که چقدر توان قادر به عبور حتی از فواصل کوتاه چند سانتی متری بین فرستنده و گیرنده است. شارژرهای بی سیم موجود در بازار از کاربران می خواهند تلفن های خود را مستقیماً روی پد شارژر قرار دهند. بلند کردن آنها، مثلاً برای پاسخ دادن به تماس تلفنی، شارژ را متوقف می کند. در حالی که محققان و مهندسین صنعت در حال برنامه ریزی برای انتقال نیرو در مسافت های طولانی تر هستند، هنوز نمی توان یک ماشین الکتریکی را به سادگی با پارک کردن آن در بالای یک پد شارژر در پیاده رو یک منطقه استراحت بزرگراه یا گاراژ خانه، شارژ کرد.
این می تواند دستگاه های اینترنت اشیا مانند حسگرها و دزدگیرها را شارژ یا روشن کند، که انتظار می رود استفاده از آن در آینده گسترده شود.پیشرفت بیشتر می تواند قابل توجه باشد: مثلاً در مورد بیماری که هرگز نیازی به تعویض باتری ضربان ساز خود نخواهد داشت یا سیستم جاده ای که می تواند هنگام رانندگی، وسایل نقلیه برقی را شارژ کند، فکر کنید. آشکارسازهای دود ممکن است دیگر نیازی به تعویض باتری نداشته باشند. نصب یک لامپ جدید در یک خانه می تواند به راحتیِ آویزان کردن یک تصویر باشد - و یافتن نزدیکترین پریز برق دیگر نگران کننده نخواهد بود.
 

حصول هم خطی و تنظیم کامل

ارتباط بین فرستنده و گیرنده برای این که چه مقدار الکتریسیته بتواند از یکی به دیگری منتقل شود بسیار مهم است. در حالت ایده آل - و کار آمدترین حالت - فرکانس انتقال نیرو با فرکانس تشدید طبیعی گیرنده مطابقت دارد. این به نوعی مانند زمانی است که کامیون هایی از کنار خانه شما عبور می کنند: بعضی از آنها با فرکانس طبیعی ساختمان، لرزاننده می شوند تا پنجره های شما را به هم بزنند، اما کامیون های دیگر عملاً بدون ایجاد ارتعاش و صدا رد می شوند.
 
برای شارژ بی سیمی، چیدمان اصلی این است که مطمئن شوید فرستنده و گیرنده به درستی هم خط و تنظیم شده اند. اگر این گونه نباشند، ممکن است فرکانس های آنها دقیقاً با هم مطابقت نداشته باشند و مقدار توان منتقل شده را به میزان قابل توجهی کاهش دهند - یا حتی به صفر برسانند.
 mmWave ، به قیمت مسافت های انتقال کوتاه تر، پهنای باند بیشتری را باز می کند.گروه تحقیقاتی ما در حال کار بر روی تولید اجزای الکترونیکی شارژرهایی است که می توانند تنظیم شوند - مانند تنظیم رادیو - تا زمانی که فرکانس های تشدید مطابقت داشته باشند. سیستم هایی که می توانند تنظیم شوند - یا بهتر از آن، این که وقتی فرستنده ها و گیرنده ها دقیقاً در یک راستا نباشند می توانند خود به خود متوجه این امر شوند و به طور خودکار تنظیم شوند - بسیار کارآمدتر هستند.
   
تصویر: وقتی سیستم شارژر به طور کامل تنظیم شود، بسیار کارآمد است - اما این همیشه دقیقاً امکان پذیر نیست. metamorworks / Shutterstock.com
 
به عنوان مثال، وقتی یک ماشین الکتریکی بالای شارژر باتری پارک شود، در حالت ایده آل، گیرنده و فرستنده توان به طور کامل در یک خط تنظیم می شوند تا در یک فرکانس، تشدید صورت گیرد. اما اگر راننده در یک زاویه، یا خیلی جلوتر یا عقب تر پارک کند، انتقال نیرو به همان اندازه کارآمد نخواهد بود. در این صورت، دستگاه احساس می کند که قدرت به اندازه مورد انتظار منتقل نمی شود و می تواند اجزا را تنظیم کند تا فرکانس انتقال را تغییر دهد تا عملکرد بهتری داشته باشد.
 دکل های 5G دارای تراکم خوشه ای بیشتری نسبت به دکل های 4G هستند.کار ما با تحقیقات دیگر در دانشگاه های دیگر، به ویژه تولید باتری های شارژ سریع و الکترونیک کنترل قدرت بالا برای بهبود کارایی و چگالی قدرت برای شارژ سریع، هماهنگ است. به ثمر رسیدن تمام کارهایی که باعث راه یابی به بازارهای تجاری می شود زمان بر است، اما مطمئناً آینده ای بی سیم در راه است.
 
منبع: النا گاورا، جِیمز پیتر بروسِی، شاشانک پریا، Coventry University، Penn State