نگاهي نقدگرا به انتقال بي سيم توان الکتريکي
مي توان حدس زد که صيادان صدف در اوايل قرن بيستم ازديدن بنايي که در نزديکي ساحل شمالي ايسلند لانگ در نيويورک درحال احداث بود،چقدرشگفت زده شده باشند.نيکولا تسلا( يک مهاجر صرب) از منطقه اي که امروزه کرواسي ناميده مي شود، به آمريکا قدم نهاده بود. وي آزمايشگاهي در وسط يک مزرعه سيب زميني برپا نمود که درست در پشت اين آزمايشگاه، برجي به ارتفاع 60 متر ( 200 فوت) قرار داشت. بنابر گفته هاي تسلا، وي قصد داشته از اين برج،براي ايجاد ارتباطي بي سيم با دنياي پيرامونش استفاده نمايد.
در آن زمان، اين فکر بسيار بلندپروازانه و جاه طلبانه مي نمود؛ ولي در عين حال ايده اي غيرمنطقي نبود، در سال 1901 مارکني، اولين سيگنال آزمايشي را از روي آتلانتيک ارسال نمود. اما ساکنان لانگ ايسلند که در مجاورت اين برج عظيم مي زيستند بسيار شگفت زده مي شدند اگر تسلا دومين پروژه خود را انجام مي داد. پروژه دوم تسلا بقدري متهورانه و دور از ذهن مي نمود که حتي وي آنرا از حامي مالي خود يعني جي.پي مورگان نيز مخفي کرده بود. هدف تسلا اين بود که نه تنها از طريق برج مذکور،سيگنال ارسال نمايد بلکه بتواند مقدار قابل ملاحظه اي توان الکتريکي نيز بصورت بي سيم به مناطق دورتر بفرستد. استراتژي تسلا براي انجام چنين شاهکاري بر ما روشن نيست، اما به نظر مي رسد تسلا قصد داشت با انجام چنين کاري، توان الکتريکي مورد نياز يک هواپيماي در حال پرواز و يا يک اتومبيل در حال حرکت را بصورت بي سيم ارسال نمايد. تسلا هيچگاه نتوانست به روياي خود جامه عمل بپوشاند زيرا حامي مالي وي، بدليل مشکلات اقتصادي ديگر توان پرداخت هزينه هاي برج تسلا را نداشت. بنابراين تسلا مجبور به ترک آزمايشگاه خويش( که در حال خراب شدن بود)، شد و نهايتاً در سال 1917 برج تسلا بدور از هياهو تخريب گرديد. دهه هاي بعد، آزمايشگاه تسلا تبديل به کارخانه توليد کاغذهاي عکاسي گرديد، اين کارخانه به اندازه کافي زباله هاي سمي از خود بر جاي مي گذاشت که نياز به بودجه هنگفتي براي پاکسازي محيط زيست احساس مي شد. امروز بار ديگر ساختمان آجري زيباي اين آزمايشگاه بلااستفاده و به حال خود رها شده است. پوشش هاي تخته اي، پنجره هاي اين آزمايشگاه را پوشانده اند. همه آنچه که از برج باقي مانده است، پايه هاي بزرگ هشت ضلعي مي باشد که آن هم با درختان بزرگ منطقه پوشيده شده و به چشم نمي آيد.
البته امروزه دانشمندان و مهندسان، انديشه بزرگ تسلا که نشانه نبوغ وي بود را تحسين مي کنند؛ او در واقع يک موتور القاي الکتريکي اختراع کرده بود. وي براي بهره گيري از جريان متناوب، دست به اين ابداع زد؛ در زماني که هنوز توماس آلوا اديسون هيچيک از اختراعات خود را انجام نداده بود. بنابراين جاي تعجب ندارد که برخي از ستايشگران تسلا هنوز از آزمايشگاه قديمي وي حفاظت مي نمايند.
« تصور کنيد زماني تسلا در اينجا گام مي نهاد، درست بر روي اين زمين، با روياها و دورنمايي از آينده». اينها بخشي از گفته هاي خانم جين آلکورن است، در حالي که در آزمايشگاه تسلا قدم مي زند.هدف خانم آلکورن دراستفاده از بناي قديمي و متروکه آزمايشگاه تسلا، ايجاد يک موزه علمي مي باشد، وي خود را وقف اينکار کرده و بدنبال بدست آوردن سود نمي باشد، زيرا او به خوبي مي داند که تسلا چه انديشه هاي بزرگي براي اين مکان داشته است.« انتقال توان بصورت بي سيم، بزودي يک انقلاب صنعتي را بوجود خواهد آورد، چيزي که بشرتاکنون آنرا تجربه نکرده است».اين جمله بخشي از نامه اي است که تسلا در سال 1906 به جورج واشنگتن نوشت.
امروز شايد انديشه هاي تسلا و دورنماي ترسيمي وي از آينده کمي مضحک به نظر برسد، زيرا اکنون ما شاهد چيزهاي کاملاً متفاوت با آنچه تسلا ترسيم نموده، هستيم؛ تيرهاي برق و خطوط فشار قوي، بخشي جدا نشدني از صنعت امروز را تشکيل مي دهند. تسلا توانايي خود در زمينه ارسال توان الکتريکي بدون استفاده از سيم را با انجام آزمايشي بين ايستگاه خود در لانگ ايسلند و ايستگاهي که پيشتر در اسپرينگز کلرادو احداث کرده بود، اثبات نمود. اما تلاش وي براي فرستادن توان به مناطق دورتر، به شکست انجاميد و با گذشت زمان، برج تسلا تخريب شد. امروزه کابل هاي الکتريکي آنقدر با زندگي مردم عجين شده که دغدغه چگونگي خلاص شدن از شر آنها را به خود راه نمي دهند. اما اخيراً گروهي از دانشمندان و مهندسان سخت کوش در حال بررسي دقيق کارهاي تسلا هستند تا دريابند تسلا چگونه مي خواست توان الکتريکي را بدون استفاده از سيم به نقاط دورتر ارسال نمايد.
در سال 2006 درست 100 سال پس از آنکه تسلا به کار خود در لانگ ايسلند پايان داد، يک کروات مهاجر ديگر، آمريکا را با ارائه پيشنهادش شگفت زده نمود. وي پيشنهاد کرد که مي توان توان را از طريق هوا منتقل نمود. اين شخص، فيزيکداني با نام مارين سولياکيچ( Marin Soljacic) بود، وي به همراه همکارانش در دانشگاه ام.آي .تي، تحليلي نظري را از يک سيستم ارائه نمودند؛ اين سيستم قادر به ارسال قابل ملاحظه اي از توان الکتريکي با استفاده از قانون القاي الکتريکي مي باشد، همانطور که مي دانيد قانون القاي الکتريکي توسط مايکل فارادي در اوايل قرن نوزدهم کشف شده بود.
يک راه مناسب براي درک اين مطلب که چرا تشديد به انتقال توان کمک مي کند، بررسي يک ماشين آنالوگ است. تصور کنيد که شما مي خواهيد انرژي مکانيکي را از يک سوي اتاقي به سوي ديگر آن انتقال دهيد، اما همه آنچه که شما در اختيار داريد يک فنر ضعيف و بلند است که بعنوان رابط بين چشمه توان و بار مورد نظر شما در سوي ديگراتاق عمل مي کند. شما با قدرت و سرعت هرچه تمامتر يک سر فنر را در اختيار مي گيريد و آنرا به حرکت و نوسان وادار مي کنيد و هرچقدر هم که تلاش مي کنيد، مي بينيد انتهاي فنر فقط کمي تکان مي خورد. اکنون کمي زندگي را به خود آسانتر گيريد، شما مي توانيد آن طرف فنر که در اختيار شما است را به يک آونگ در حال نوسان با دامنه حرکت بلند متصل نماييد. اکنون بازوي شما ديگر آسيب نخواهد ديد، ولي انتهاي ديگر فنر هنوز به ميزان ناچيز حرکت مي کند. مشکل ديگر زماني بروز مي کند که شما سعي کنيد انتهاي ديگر فنر را به يک بار مکانيکي متصل نماييد. اگر مراقب نباشيد متوجه خواهيد شد که امواج انرژي که توسط آونگ ارسال شده است پس از برخورد به بار مکانيکي ممکن است بازتابيده شود و جذب بار مکانيکي نگردد، بدين طريق انتقال مورد نظر ما صورت نپذيرفته است و بار ديگر شکست خورده ايم. براي حل اين مشکل کافي است سر ديگر فنررا که در آنسوي اتاق قرار دارد به آونگ ديگري متصل نماييد که دقيقاً ويژگي هاي آونگ اول را دارا است. اکنون تنها کاري که بايد انجام دهيد اين است که آونگ اول را به آرامي به نوسان درآوريد و اينکار را تا آنجا ادامه دهيد که دامنه نوسان افزايش يابد بطوريکه امواج عبوري از فنر، آونگ ديگررا به نوسان وادار کند و چون آونگ دوم داراي ويژگيهاي آونگ اول است با همان دامنه شروع به نوسان مي کند. بدين ترتيب شما موفق شده ايد انرژي مکانيکي را از يک سوي اتاق به سوي ديگر منتقل کنيد. عليرغم نداشتن ابزار مناسب و تنها با يک فنر ضعيف و دو آونگ شما موفق شديد انرژي را به خوبي به سوي ديگر اتاق منتقل نماييد و از اين انرژي در آنسوي اتاق مي توان بهره گرفت، براي نمونه اگر آونگ دوم به پنجره متصل باشد، پس از انتقال انرژي پنجره برروي شما گشوده خواهد شد.
شايد اين شبيه سازي مکانيکي کمي گمراه کننده به نظر رسد، اما در حقيقت اين مثال، آنچه را بين دو نوسان گر مشدد الکتريکي جفت شده براي انتقال توان بصورت القاي مغناطيسي، اتفاق مي افتد را به خوبي توضيح مي دهد. نمونه مکانيکي، حتي برخي از ظرافت هاي سيستمهاي انتقال توان بي سيم را نشان مي دهد- براي نمونه جفت شدگي بين نوسانگر اوليه و ثانويه يک فرکانس مشدد ديگري را علاوه بر فرکانس مشدد اول،ايجاد مي کند. مهمتر اينکه، اين آزمايش کمک مي کند تا چالشهاي اساسي اين طرح را دريابيم؛ چون به تدريج دامنه و فرکانس نوسانات افزايش مي يابد، نوسانگر اوليه شروع به از دست دادن مقدار قابل توجهي از توان مي نمايد. مقاومت هوا باعث تضعيف انرژي آونگ مي شود. براي نوسانگرهاي الکتريکي، اين اتلاف انرژي توسط مقاومت الکتريکي سيم هاي خود سيم پيچها اتفاق مي افتد.
بنابراين هنگامي که سولياکيچ سيستم خود را کارآمد قلمداد نمود، اينطور به نظر مي رسد وي تمام جنبه ها را در نظر گرفته و منظورش صرفاً انتقال توان نيست. براي نمونه او با ارائه اين سيستم، بحث حفاظت منابع طبيعي را پيش مي کشد در حاليکه توان ارسالي اين سيستم فقط 15 درصد مقدار توان ارسالي بوسيله سيم مي باشد. علاوه بر اين، سولياکيچ و همکارانش اشتياق فراواني در ترسيم دورنمايي از اين سيستم القايي براي شارژ گوشي هاي همراه و لپ تاپ ها از فاصله دور، نشان دادند که اين تکنولوژي در بازار تجارت بسيار سودآور مي باشد. با اين فکر شرکت WiTricity Corp در Mass, Watertown تشکيل شد، که اين شرکت در حال حاضر حدود 20 کارمند دارد.
قبل از اينکه سولياکيچ نتيجه بررسي هايش را منتشر کند، محققان ديگري در دانشگاه ام.آي.تي درباره اين موضوع که چگونه مي توان توان الکتريکي را بدون استفاده از سيم به مسافتهاي نه چندان دور ارسال کنند، تحقيق مي کردند. جف ليبرمن( Jeff Liberman) يکي از دانش- آموختگان Media Lab (MITs) بود، وي اکنون مجري برنامه « Time warp» در کانال ديسکاوري مي باشد. هدف وي از دنبال کردن تحقيقات بر روي ارسال توان الکتريکي بدون بکارگيري از سيم، صرفاً خلق يک اثر هنري خيره کننده بود( يک لامپ روشن معلق در فضا). او نيز با همان چالشهايي که سولياکيچ با آنها روبرو بود مواجه شد: ارسال توان به جايي بدون اينکه سيمي به آن نقطه رفته باشد. راه حل ليبرمن درجزئيات،کمي با روش سولياکيچ تفاوت داشت ولي اصول کار هر دو يکي بود.
چنين انديشه اي سبب شد تا شرکت اينتل به تکاپو افتد تا پژوهشي در اين زمينه در آزمايشگاههاي خود در سياتل انجام دهد. در اين آزمايشگاه ها پژوهشگران اينتل، انتقال انرژي مشدد بصورت بي سيم را بهبود بخشيدند. به گفته جاشوا آر. اسميت( Joshua R.Smith) مهندس شرکت اينتل که اين پروژه را سرپرستي مي کرد:« ما درکارخود از مقالات ام.آي.تي الهام گرفتيم».اما سيستمي که اينتل نخستين بار در سال 2008 ارائه نمود داراي سيم پيچهاي تخت بودند( بر خلاف سيستم سولياکيچ که در آن از سيم پيچهاي مارپيچ استفاده شده بود). سولياکيچ و همکارانش سال 2007 سيستم خود را عرضه نمودند. بنابر اظهارات اسميت:« ما نمي خواهيم از يک سيم پيچ مارپيچ استفاده کنيم، زيرا گنجاندن اين سيم پيچها درون وسايلي نظير لپ تاپ دشوار مي باشد.«اما ظاهراً انديشه آنها زياد هم درست از آب درنيامد. يکي از دلايل مهمي که سولياکيچ از سيم پيچ مارپيچ به جاي نوع تخت آن استفاده نمود آن است که اين سيم پيچها علاوه بر خاصيت القاکنندگي خود داراي خاصيت ذخيره سازي انرژي در فضاي بين دو سيم پيچ مي باشند. بنابراين در حوزه فرکانس هاي راديويي اين سيم پيچ ها بدون وجود خازن مجزا، پديده تشديد را تجربه مي کنند. مزيت طراحي اين نوع انتقال دهنده هاي توان در اين است که چون ديگر خازني در مدار وجود ندارد، اتلاف انرژي ناشي از وجود اين قطعه الکترونيکي نيز حذف مي شود، البته بايد اذعان داشت سولياکيچ در زمينه اتلاف انرژي درخازن ها کمي بزرگنمايي کرده است.با اين وجود، نهايتاً شرکت WiTricity نيز مانند شرکت اينتل مجبورشد تا به سمت ساخت سيم پيچهاي تخت حرکت کند،و اين سيم پيچها را جايگزين سيم پيچهاي بزرگ و نامتعارف قبلي نمايد.«اگرشما قصد داريد توان الکتريکي را به يک قطعه ارسال نماييد، نياز داريد که يک سيم پيچ ثانويه به عنوان گيرنده توان داخل قطعه مذکور جاسازي نماييد. اينها اظهارات خانم کتي هال( Katie Hall) رئيس بخش تکنيکال شرکت WiTricity مي باشد.
يکي ديگر از محدوديتهايي که به نظر مي رسد کمتر مورد توجه بوده و يا لااقل کمتر درباره آن بحث شده درباره قدرت ميدانهاي الکترومغناطيسي توليد شده مي باشد،اينکه اين توان توليد شده را مردم تا چه ميزاني تمايل دارند استفاده کنند، زيرا گستره وسيعي از وسايل وجود دارد که هرکدام به ميزان خاصي توان احتياج دارند.
يکي از مباحثي که امروزه بر سر آن بحث و جدل وجود دارد تأثيرات دانسته و ندانسته ميدانهاي الکترومغناطيسي بر سلامت انسانها است. مقالات و نوشته هاي زيادي در رابطه با تأثير اينگونه ميدانها بر انسانها وجود دارد که برخي قابل قبول و برخي ديگر منطقي به نظر نمي رسند اما در حوزه فرکانس هاي راديويي، برخي از اين اثرات مخرب بدون هيچ ترديدي وجود دارند.
استاندارد ICNIRP، برخلاف استاندارد رايج در آمريکا، گستره وسيعي از امواج را دربر مي گيرد: امواج اپتيکي( فرابنفش، امواج مرئي و فروسرخ- ليزرها)، ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي هم ايستا و هم متغير با زمان فرکانسهاي راديويي که ميکروموجها نيز در اين گستره قرار مي گيرند و امواج فراصوت).
افرادي که تمايل به ارسال الکتريکي با استفاده ازميدانهاي الکترومغناطيسي دارند بايد چنين محدوديتهاي را نيز در نظر داشته باشند. استاندارد ICNIRP را براي ميدانهاي RF با فرکانس 10 مگاهرتز ( فرکانسي که سيستم سولياکيچ و همکارانش ساخته بودند) در نظر گيريد. براي اين فرکانس، معيارهاي تعيين شده از سوي استاندارد مذکور نشان مي دهد، افراد نبايد در معرض ميدان هاي مغناطيسي بيشتر از 0.073 آمپر بر متر قرار گيرند، و براي ميدانهاي الکتريکي اين ميزان نبايد از 28 ولت بر متر تجاوز کند. در نظر گيريد وقتي امواج RF از يک آنتن در دوردست ارسال مي شود شما مي توانيد يا محدوده مربوط به امواج الکتريکي را به تنهايي اعمال کنيد و يا محدوده مربوط به ميدانهاي مغناطيسي را، زيرا نسبت ميدانها به يکديگر مقاري ثابت خواهد بود. اما انتقال توان القايي چنين ميدانهايي در نزديکي آنتن( سيم پيچ) رخ مي دهد.
براساس مقاله منتشر شده در مجله Science( توسط سولياکيچ و همکارانش در سال 2007)، آنها يک ميدان مغناطيسي به ميزان 1 آمپر بر متر را در نقطه اي در نيمه راه بين سيم پيچ فرستنده و سيم پيچ گيرنده اندازه گيري کردند- يعني تقريباً 14 برابر ميزاني که استاندارد ICNIRP مجازمي داند. و در مورد ميدان الکتريکي نيز مقدار بدست آمده عبارت بود از 210 ولت برمترکه حدود 7/5 برابر ميزان قابل قبول بر طبق استاندارد اروپا مي باشد. و هرچه به سيم پيچ ها نزديکتر شويم، وضعيت بدترنيزمي گردد. 20 سانتي متر حرکت به سمت سيم پيچها باعث مي شود شما ميدان مغناطيسي 100 برابر قويتر و براي ميدان الکتريکي، قدرت معادل 50 برابر ميدان قبلي را تجربه نماييد.- در اين مطالعات، استاندارد اروپايي در نظر گرفته شده بود.
گرانت کويچ( Grant Covic) پروفسوري از گروه مهندسي کامپيوتر و برق دانشگاه آکلند در نيوزلند اظهار داشته است:« آنها نمي توانند فضاي يک اتاق را با ميدان ها پر نمايند و اين امر هيچگاه اتفاق نمي افتد.» سولياکيچ بايد بداند که کويچ و همکارش در دانشگاه آکلند و جان بويز( John Boys)، براي دو دهه است که بر روي مهندسي چنين سيستمهايي کار کرده اند که عليرغم بي نام و نشان ماندن اين سيستم ها کاربرد گسترده اي در زمينه هاي گوناگون دارند بخصوص در جاييکه انتقال توان الکتريکي مسئله ساز خواهد شد.
براي نمونه مي توان در زمينه انتقال و بررسي مواد وارد شد. شرکت دايفوکو(Daifuku Co) که مقر آن در اوزاکا ژاپن مي باشد تحت ليسانس دانشگاه آکلند اقدام به ساخت ماشينهاي مجهز به نوار مقاله ( Tracked conveyor) با سکوهاي متحرکي کرده اند که بصورت بي سيم تغذيه مي گردند. اين وسيله بخش بزرگي از فروش سالانه 2/5 ميليارد دلاري شرکت مذکور را به خود اختصاص داد.
اين سيستم ها براي مدت طولاني است که توانايي خود را در حرکت به سوي تکنولوژي بي سيم به اثبات رسانده اند، و نشان داده اند که حتي با بکارگيري سيستم هاي بي سيم، کارآيي آنها باز هم مناسب خواهد بود.امکان طراحي و ساخت اين سيستم ها وجود دارد زيرا انتقال توان در اين سيستم ها با مقادير توان پايين و در فواصلي از مرتبه سانتي متر،از طريق هوا انجام مي پذيرد.( نه ميزان توان و همچنين فواصلي که مدنظر شرکتهاي Intel و WiTricity مي باشد). سؤال کليدي اين است که آيا پيشرفتهاي مهندسي فواصل بزرگتري را براي سيم پيچها به ارمغان مي آورند يا خير؟
منو تريفرز( Menno Treffers) که براي Royal Philips Electronics کار مي کند، مي گويد:« من شک دارم که مي توان توان الکتريکي را به فاصله اي بيشتر از قطر سيم پيچ ارسال نمود.» وي سرپرست کنسرسيوم دو ساله انتقال توان بصورت بي سيم مي باشد، که هدف آنها پايه ريزي استانداردهاي صنعتي براي شارژ بصورت بي سيم براي مصرف کننده ها مي باشد. اکنون شما در صورت خريد لپ تاپهاي مدل Dell Laptop Latitude Z يا Palm Pre smartphone مي توانيد پدهاي شارژ کننده بي سيم را براي اين محصولات تهيه نماييد. کساني که از BlackBerry و iPhone استفاده مي کنند نيز مي توانند از وجود اين پدها بهره مند شوند، البته اگر قطعات يدکي ويژه مربوط به شارژ بي سيم را تهيه کرده باشند.
هدف کنسرسيوم انتقال توان بصورت بي سيم آن است که اين تکنولوژي را به سمتي رهنمون سازد تا شما قادر باشيد فقط با خريد يک پد شارژ کننده هرگونه وسيله الکترونيکي خود را بدون در نظر گرفتن نوع و مدل آن شارژ نماييد. تريفرز بقدر کفايت باهوش است که با ارائه چنين خدماتي قصد دارد اين تکنولوژي را به يک صنعت شکوفا براي مصرف کنندگان آن تبديل نمايد، البته او انتظار ندارد با اين سيستم شما بتوانيد فرضاً موبايل خود را در حاليکه از آن استفاده مي نماييد شارژ کنيد. او مي گويد:« اين به آن معنا نيست که شما بتوانيد هنگامي که روي کاناپه نشسته ايد BlackBerry خود را شارژ نماييد.»
آيا راهي وجود ندارد تا بتوان توان الکتريکي را بصورت بي سيم به فواصل دورتر فرستاد؟ پاسخ مثبت است، اما نه بصورت القايي بلکه شما بوسيله امواج ميکروموج و يا ليزر مي توانيد به اين مقصود دست يابيد.حتي مي توانيد ساده تر به اين قضيه نگاه کنيد. نور خورشيد نمونه اي عالي از انتقال توان از راه دور مي باشد.
حتي اگرالقاي تشديدي محدود به مسافتهاي کوتاه شود، باز هم اين تکنولوژي نقش مهمي درآينده انتقال توان الکتريکي بازي خواهد کرد. کويچ معتقد است:«امروزه ما مي توانيم يک ماشين را بطور کاملاً ايمن، از فاصله 20 تا 40 سانتيمتري شارژ کنيم و همچنين مي توان اين سيستم را در جاده ها بکار برد. شايد به يک دهه وقت نياز باشد تا ما شاهد چنين جاده هايي با سيستم هاي شارژ و انتقال توان بصورت بي سيم باشيم.»
اگر اين هدف براي ترامواها برآورده شود، شايد پس از آن نوبت به اتوبوس هاي الکتريکي با گستره وسيعتري باشد تا به اين تکنولوژي مجهز شوند.زياد دور از ذهن نيست اگر تصور کنيم چند دهه ديگر شاهد طراحي اتوموبيل هاي شخصي باشيم که مجهز به اين تکنولوژي باشند و انرژي مورد نياز خود را از سيستمهاي انتقال توان بي سيم ( تعبيه شده درجاده ها و خيابانها) بدست مي آورند. کسي چه مي داند شايد کساني که در سال 2010 Tesla Roadsters خريده اند اکنون دورنماي بزرگراه هايي را ترسيم مي کنند که به سيستم القاي توان بصورت بي سيم مجهز مي باشند.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه، شماره 132.
در آن زمان، اين فکر بسيار بلندپروازانه و جاه طلبانه مي نمود؛ ولي در عين حال ايده اي غيرمنطقي نبود، در سال 1901 مارکني، اولين سيگنال آزمايشي را از روي آتلانتيک ارسال نمود. اما ساکنان لانگ ايسلند که در مجاورت اين برج عظيم مي زيستند بسيار شگفت زده مي شدند اگر تسلا دومين پروژه خود را انجام مي داد. پروژه دوم تسلا بقدري متهورانه و دور از ذهن مي نمود که حتي وي آنرا از حامي مالي خود يعني جي.پي مورگان نيز مخفي کرده بود. هدف تسلا اين بود که نه تنها از طريق برج مذکور،سيگنال ارسال نمايد بلکه بتواند مقدار قابل ملاحظه اي توان الکتريکي نيز بصورت بي سيم به مناطق دورتر بفرستد. استراتژي تسلا براي انجام چنين شاهکاري بر ما روشن نيست، اما به نظر مي رسد تسلا قصد داشت با انجام چنين کاري، توان الکتريکي مورد نياز يک هواپيماي در حال پرواز و يا يک اتومبيل در حال حرکت را بصورت بي سيم ارسال نمايد. تسلا هيچگاه نتوانست به روياي خود جامه عمل بپوشاند زيرا حامي مالي وي، بدليل مشکلات اقتصادي ديگر توان پرداخت هزينه هاي برج تسلا را نداشت. بنابراين تسلا مجبور به ترک آزمايشگاه خويش( که در حال خراب شدن بود)، شد و نهايتاً در سال 1917 برج تسلا بدور از هياهو تخريب گرديد. دهه هاي بعد، آزمايشگاه تسلا تبديل به کارخانه توليد کاغذهاي عکاسي گرديد، اين کارخانه به اندازه کافي زباله هاي سمي از خود بر جاي مي گذاشت که نياز به بودجه هنگفتي براي پاکسازي محيط زيست احساس مي شد. امروز بار ديگر ساختمان آجري زيباي اين آزمايشگاه بلااستفاده و به حال خود رها شده است. پوشش هاي تخته اي، پنجره هاي اين آزمايشگاه را پوشانده اند. همه آنچه که از برج باقي مانده است، پايه هاي بزرگ هشت ضلعي مي باشد که آن هم با درختان بزرگ منطقه پوشيده شده و به چشم نمي آيد.
البته امروزه دانشمندان و مهندسان، انديشه بزرگ تسلا که نشانه نبوغ وي بود را تحسين مي کنند؛ او در واقع يک موتور القاي الکتريکي اختراع کرده بود. وي براي بهره گيري از جريان متناوب، دست به اين ابداع زد؛ در زماني که هنوز توماس آلوا اديسون هيچيک از اختراعات خود را انجام نداده بود. بنابراين جاي تعجب ندارد که برخي از ستايشگران تسلا هنوز از آزمايشگاه قديمي وي حفاظت مي نمايند.
« تصور کنيد زماني تسلا در اينجا گام مي نهاد، درست بر روي اين زمين، با روياها و دورنمايي از آينده». اينها بخشي از گفته هاي خانم جين آلکورن است، در حالي که در آزمايشگاه تسلا قدم مي زند.هدف خانم آلکورن دراستفاده از بناي قديمي و متروکه آزمايشگاه تسلا، ايجاد يک موزه علمي مي باشد، وي خود را وقف اينکار کرده و بدنبال بدست آوردن سود نمي باشد، زيرا او به خوبي مي داند که تسلا چه انديشه هاي بزرگي براي اين مکان داشته است.« انتقال توان بصورت بي سيم، بزودي يک انقلاب صنعتي را بوجود خواهد آورد، چيزي که بشرتاکنون آنرا تجربه نکرده است».اين جمله بخشي از نامه اي است که تسلا در سال 1906 به جورج واشنگتن نوشت.
امروز شايد انديشه هاي تسلا و دورنماي ترسيمي وي از آينده کمي مضحک به نظر برسد، زيرا اکنون ما شاهد چيزهاي کاملاً متفاوت با آنچه تسلا ترسيم نموده، هستيم؛ تيرهاي برق و خطوط فشار قوي، بخشي جدا نشدني از صنعت امروز را تشکيل مي دهند. تسلا توانايي خود در زمينه ارسال توان الکتريکي بدون استفاده از سيم را با انجام آزمايشي بين ايستگاه خود در لانگ ايسلند و ايستگاهي که پيشتر در اسپرينگز کلرادو احداث کرده بود، اثبات نمود. اما تلاش وي براي فرستادن توان به مناطق دورتر، به شکست انجاميد و با گذشت زمان، برج تسلا تخريب شد. امروزه کابل هاي الکتريکي آنقدر با زندگي مردم عجين شده که دغدغه چگونگي خلاص شدن از شر آنها را به خود راه نمي دهند. اما اخيراً گروهي از دانشمندان و مهندسان سخت کوش در حال بررسي دقيق کارهاي تسلا هستند تا دريابند تسلا چگونه مي خواست توان الکتريکي را بدون استفاده از سيم به نقاط دورتر ارسال نمايد.
در سال 2006 درست 100 سال پس از آنکه تسلا به کار خود در لانگ ايسلند پايان داد، يک کروات مهاجر ديگر، آمريکا را با ارائه پيشنهادش شگفت زده نمود. وي پيشنهاد کرد که مي توان توان را از طريق هوا منتقل نمود. اين شخص، فيزيکداني با نام مارين سولياکيچ( Marin Soljacic) بود، وي به همراه همکارانش در دانشگاه ام.آي .تي، تحليلي نظري را از يک سيستم ارائه نمودند؛ اين سيستم قادر به ارسال قابل ملاحظه اي از توان الکتريکي با استفاده از قانون القاي الکتريکي مي باشد، همانطور که مي دانيد قانون القاي الکتريکي توسط مايکل فارادي در اوايل قرن نوزدهم کشف شده بود.
يک راه مناسب براي درک اين مطلب که چرا تشديد به انتقال توان کمک مي کند، بررسي يک ماشين آنالوگ است. تصور کنيد که شما مي خواهيد انرژي مکانيکي را از يک سوي اتاقي به سوي ديگر آن انتقال دهيد، اما همه آنچه که شما در اختيار داريد يک فنر ضعيف و بلند است که بعنوان رابط بين چشمه توان و بار مورد نظر شما در سوي ديگراتاق عمل مي کند. شما با قدرت و سرعت هرچه تمامتر يک سر فنر را در اختيار مي گيريد و آنرا به حرکت و نوسان وادار مي کنيد و هرچقدر هم که تلاش مي کنيد، مي بينيد انتهاي فنر فقط کمي تکان مي خورد. اکنون کمي زندگي را به خود آسانتر گيريد، شما مي توانيد آن طرف فنر که در اختيار شما است را به يک آونگ در حال نوسان با دامنه حرکت بلند متصل نماييد. اکنون بازوي شما ديگر آسيب نخواهد ديد، ولي انتهاي ديگر فنر هنوز به ميزان ناچيز حرکت مي کند. مشکل ديگر زماني بروز مي کند که شما سعي کنيد انتهاي ديگر فنر را به يک بار مکانيکي متصل نماييد. اگر مراقب نباشيد متوجه خواهيد شد که امواج انرژي که توسط آونگ ارسال شده است پس از برخورد به بار مکانيکي ممکن است بازتابيده شود و جذب بار مکانيکي نگردد، بدين طريق انتقال مورد نظر ما صورت نپذيرفته است و بار ديگر شکست خورده ايم. براي حل اين مشکل کافي است سر ديگر فنررا که در آنسوي اتاق قرار دارد به آونگ ديگري متصل نماييد که دقيقاً ويژگي هاي آونگ اول را دارا است. اکنون تنها کاري که بايد انجام دهيد اين است که آونگ اول را به آرامي به نوسان درآوريد و اينکار را تا آنجا ادامه دهيد که دامنه نوسان افزايش يابد بطوريکه امواج عبوري از فنر، آونگ ديگررا به نوسان وادار کند و چون آونگ دوم داراي ويژگيهاي آونگ اول است با همان دامنه شروع به نوسان مي کند. بدين ترتيب شما موفق شده ايد انرژي مکانيکي را از يک سوي اتاق به سوي ديگر منتقل کنيد. عليرغم نداشتن ابزار مناسب و تنها با يک فنر ضعيف و دو آونگ شما موفق شديد انرژي را به خوبي به سوي ديگر اتاق منتقل نماييد و از اين انرژي در آنسوي اتاق مي توان بهره گرفت، براي نمونه اگر آونگ دوم به پنجره متصل باشد، پس از انتقال انرژي پنجره برروي شما گشوده خواهد شد.
شايد اين شبيه سازي مکانيکي کمي گمراه کننده به نظر رسد، اما در حقيقت اين مثال، آنچه را بين دو نوسان گر مشدد الکتريکي جفت شده براي انتقال توان بصورت القاي مغناطيسي، اتفاق مي افتد را به خوبي توضيح مي دهد. نمونه مکانيکي، حتي برخي از ظرافت هاي سيستمهاي انتقال توان بي سيم را نشان مي دهد- براي نمونه جفت شدگي بين نوسانگر اوليه و ثانويه يک فرکانس مشدد ديگري را علاوه بر فرکانس مشدد اول،ايجاد مي کند. مهمتر اينکه، اين آزمايش کمک مي کند تا چالشهاي اساسي اين طرح را دريابيم؛ چون به تدريج دامنه و فرکانس نوسانات افزايش مي يابد، نوسانگر اوليه شروع به از دست دادن مقدار قابل توجهي از توان مي نمايد. مقاومت هوا باعث تضعيف انرژي آونگ مي شود. براي نوسانگرهاي الکتريکي، اين اتلاف انرژي توسط مقاومت الکتريکي سيم هاي خود سيم پيچها اتفاق مي افتد.
بنابراين هنگامي که سولياکيچ سيستم خود را کارآمد قلمداد نمود، اينطور به نظر مي رسد وي تمام جنبه ها را در نظر گرفته و منظورش صرفاً انتقال توان نيست. براي نمونه او با ارائه اين سيستم، بحث حفاظت منابع طبيعي را پيش مي کشد در حاليکه توان ارسالي اين سيستم فقط 15 درصد مقدار توان ارسالي بوسيله سيم مي باشد. علاوه بر اين، سولياکيچ و همکارانش اشتياق فراواني در ترسيم دورنمايي از اين سيستم القايي براي شارژ گوشي هاي همراه و لپ تاپ ها از فاصله دور، نشان دادند که اين تکنولوژي در بازار تجارت بسيار سودآور مي باشد. با اين فکر شرکت WiTricity Corp در Mass, Watertown تشکيل شد، که اين شرکت در حال حاضر حدود 20 کارمند دارد.
قبل از اينکه سولياکيچ نتيجه بررسي هايش را منتشر کند، محققان ديگري در دانشگاه ام.آي.تي درباره اين موضوع که چگونه مي توان توان الکتريکي را بدون استفاده از سيم به مسافتهاي نه چندان دور ارسال کنند، تحقيق مي کردند. جف ليبرمن( Jeff Liberman) يکي از دانش- آموختگان Media Lab (MITs) بود، وي اکنون مجري برنامه « Time warp» در کانال ديسکاوري مي باشد. هدف وي از دنبال کردن تحقيقات بر روي ارسال توان الکتريکي بدون بکارگيري از سيم، صرفاً خلق يک اثر هنري خيره کننده بود( يک لامپ روشن معلق در فضا). او نيز با همان چالشهايي که سولياکيچ با آنها روبرو بود مواجه شد: ارسال توان به جايي بدون اينکه سيمي به آن نقطه رفته باشد. راه حل ليبرمن درجزئيات،کمي با روش سولياکيچ تفاوت داشت ولي اصول کار هر دو يکي بود.
چنين انديشه اي سبب شد تا شرکت اينتل به تکاپو افتد تا پژوهشي در اين زمينه در آزمايشگاههاي خود در سياتل انجام دهد. در اين آزمايشگاه ها پژوهشگران اينتل، انتقال انرژي مشدد بصورت بي سيم را بهبود بخشيدند. به گفته جاشوا آر. اسميت( Joshua R.Smith) مهندس شرکت اينتل که اين پروژه را سرپرستي مي کرد:« ما درکارخود از مقالات ام.آي.تي الهام گرفتيم».اما سيستمي که اينتل نخستين بار در سال 2008 ارائه نمود داراي سيم پيچهاي تخت بودند( بر خلاف سيستم سولياکيچ که در آن از سيم پيچهاي مارپيچ استفاده شده بود). سولياکيچ و همکارانش سال 2007 سيستم خود را عرضه نمودند. بنابر اظهارات اسميت:« ما نمي خواهيم از يک سيم پيچ مارپيچ استفاده کنيم، زيرا گنجاندن اين سيم پيچها درون وسايلي نظير لپ تاپ دشوار مي باشد.«اما ظاهراً انديشه آنها زياد هم درست از آب درنيامد. يکي از دلايل مهمي که سولياکيچ از سيم پيچ مارپيچ به جاي نوع تخت آن استفاده نمود آن است که اين سيم پيچها علاوه بر خاصيت القاکنندگي خود داراي خاصيت ذخيره سازي انرژي در فضاي بين دو سيم پيچ مي باشند. بنابراين در حوزه فرکانس هاي راديويي اين سيم پيچ ها بدون وجود خازن مجزا، پديده تشديد را تجربه مي کنند. مزيت طراحي اين نوع انتقال دهنده هاي توان در اين است که چون ديگر خازني در مدار وجود ندارد، اتلاف انرژي ناشي از وجود اين قطعه الکترونيکي نيز حذف مي شود، البته بايد اذعان داشت سولياکيچ در زمينه اتلاف انرژي درخازن ها کمي بزرگنمايي کرده است.با اين وجود، نهايتاً شرکت WiTricity نيز مانند شرکت اينتل مجبورشد تا به سمت ساخت سيم پيچهاي تخت حرکت کند،و اين سيم پيچها را جايگزين سيم پيچهاي بزرگ و نامتعارف قبلي نمايد.«اگرشما قصد داريد توان الکتريکي را به يک قطعه ارسال نماييد، نياز داريد که يک سيم پيچ ثانويه به عنوان گيرنده توان داخل قطعه مذکور جاسازي نماييد. اينها اظهارات خانم کتي هال( Katie Hall) رئيس بخش تکنيکال شرکت WiTricity مي باشد.
يکي ديگر از محدوديتهايي که به نظر مي رسد کمتر مورد توجه بوده و يا لااقل کمتر درباره آن بحث شده درباره قدرت ميدانهاي الکترومغناطيسي توليد شده مي باشد،اينکه اين توان توليد شده را مردم تا چه ميزاني تمايل دارند استفاده کنند، زيرا گستره وسيعي از وسايل وجود دارد که هرکدام به ميزان خاصي توان احتياج دارند.
يکي از مباحثي که امروزه بر سر آن بحث و جدل وجود دارد تأثيرات دانسته و ندانسته ميدانهاي الکترومغناطيسي بر سلامت انسانها است. مقالات و نوشته هاي زيادي در رابطه با تأثير اينگونه ميدانها بر انسانها وجود دارد که برخي قابل قبول و برخي ديگر منطقي به نظر نمي رسند اما در حوزه فرکانس هاي راديويي، برخي از اين اثرات مخرب بدون هيچ ترديدي وجود دارند.
استاندارد ICNIRP، برخلاف استاندارد رايج در آمريکا، گستره وسيعي از امواج را دربر مي گيرد: امواج اپتيکي( فرابنفش، امواج مرئي و فروسرخ- ليزرها)، ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي هم ايستا و هم متغير با زمان فرکانسهاي راديويي که ميکروموجها نيز در اين گستره قرار مي گيرند و امواج فراصوت).
افرادي که تمايل به ارسال الکتريکي با استفاده ازميدانهاي الکترومغناطيسي دارند بايد چنين محدوديتهاي را نيز در نظر داشته باشند. استاندارد ICNIRP را براي ميدانهاي RF با فرکانس 10 مگاهرتز ( فرکانسي که سيستم سولياکيچ و همکارانش ساخته بودند) در نظر گيريد. براي اين فرکانس، معيارهاي تعيين شده از سوي استاندارد مذکور نشان مي دهد، افراد نبايد در معرض ميدان هاي مغناطيسي بيشتر از 0.073 آمپر بر متر قرار گيرند، و براي ميدانهاي الکتريکي اين ميزان نبايد از 28 ولت بر متر تجاوز کند. در نظر گيريد وقتي امواج RF از يک آنتن در دوردست ارسال مي شود شما مي توانيد يا محدوده مربوط به امواج الکتريکي را به تنهايي اعمال کنيد و يا محدوده مربوط به ميدانهاي مغناطيسي را، زيرا نسبت ميدانها به يکديگر مقاري ثابت خواهد بود. اما انتقال توان القايي چنين ميدانهايي در نزديکي آنتن( سيم پيچ) رخ مي دهد.
براساس مقاله منتشر شده در مجله Science( توسط سولياکيچ و همکارانش در سال 2007)، آنها يک ميدان مغناطيسي به ميزان 1 آمپر بر متر را در نقطه اي در نيمه راه بين سيم پيچ فرستنده و سيم پيچ گيرنده اندازه گيري کردند- يعني تقريباً 14 برابر ميزاني که استاندارد ICNIRP مجازمي داند. و در مورد ميدان الکتريکي نيز مقدار بدست آمده عبارت بود از 210 ولت برمترکه حدود 7/5 برابر ميزان قابل قبول بر طبق استاندارد اروپا مي باشد. و هرچه به سيم پيچ ها نزديکتر شويم، وضعيت بدترنيزمي گردد. 20 سانتي متر حرکت به سمت سيم پيچها باعث مي شود شما ميدان مغناطيسي 100 برابر قويتر و براي ميدان الکتريکي، قدرت معادل 50 برابر ميدان قبلي را تجربه نماييد.- در اين مطالعات، استاندارد اروپايي در نظر گرفته شده بود.
گرانت کويچ( Grant Covic) پروفسوري از گروه مهندسي کامپيوتر و برق دانشگاه آکلند در نيوزلند اظهار داشته است:« آنها نمي توانند فضاي يک اتاق را با ميدان ها پر نمايند و اين امر هيچگاه اتفاق نمي افتد.» سولياکيچ بايد بداند که کويچ و همکارش در دانشگاه آکلند و جان بويز( John Boys)، براي دو دهه است که بر روي مهندسي چنين سيستمهايي کار کرده اند که عليرغم بي نام و نشان ماندن اين سيستم ها کاربرد گسترده اي در زمينه هاي گوناگون دارند بخصوص در جاييکه انتقال توان الکتريکي مسئله ساز خواهد شد.
براي نمونه مي توان در زمينه انتقال و بررسي مواد وارد شد. شرکت دايفوکو(Daifuku Co) که مقر آن در اوزاکا ژاپن مي باشد تحت ليسانس دانشگاه آکلند اقدام به ساخت ماشينهاي مجهز به نوار مقاله ( Tracked conveyor) با سکوهاي متحرکي کرده اند که بصورت بي سيم تغذيه مي گردند. اين وسيله بخش بزرگي از فروش سالانه 2/5 ميليارد دلاري شرکت مذکور را به خود اختصاص داد.
اين سيستم ها براي مدت طولاني است که توانايي خود را در حرکت به سوي تکنولوژي بي سيم به اثبات رسانده اند، و نشان داده اند که حتي با بکارگيري سيستم هاي بي سيم، کارآيي آنها باز هم مناسب خواهد بود.امکان طراحي و ساخت اين سيستم ها وجود دارد زيرا انتقال توان در اين سيستم ها با مقادير توان پايين و در فواصلي از مرتبه سانتي متر،از طريق هوا انجام مي پذيرد.( نه ميزان توان و همچنين فواصلي که مدنظر شرکتهاي Intel و WiTricity مي باشد). سؤال کليدي اين است که آيا پيشرفتهاي مهندسي فواصل بزرگتري را براي سيم پيچها به ارمغان مي آورند يا خير؟
منو تريفرز( Menno Treffers) که براي Royal Philips Electronics کار مي کند، مي گويد:« من شک دارم که مي توان توان الکتريکي را به فاصله اي بيشتر از قطر سيم پيچ ارسال نمود.» وي سرپرست کنسرسيوم دو ساله انتقال توان بصورت بي سيم مي باشد، که هدف آنها پايه ريزي استانداردهاي صنعتي براي شارژ بصورت بي سيم براي مصرف کننده ها مي باشد. اکنون شما در صورت خريد لپ تاپهاي مدل Dell Laptop Latitude Z يا Palm Pre smartphone مي توانيد پدهاي شارژ کننده بي سيم را براي اين محصولات تهيه نماييد. کساني که از BlackBerry و iPhone استفاده مي کنند نيز مي توانند از وجود اين پدها بهره مند شوند، البته اگر قطعات يدکي ويژه مربوط به شارژ بي سيم را تهيه کرده باشند.
هدف کنسرسيوم انتقال توان بصورت بي سيم آن است که اين تکنولوژي را به سمتي رهنمون سازد تا شما قادر باشيد فقط با خريد يک پد شارژ کننده هرگونه وسيله الکترونيکي خود را بدون در نظر گرفتن نوع و مدل آن شارژ نماييد. تريفرز بقدر کفايت باهوش است که با ارائه چنين خدماتي قصد دارد اين تکنولوژي را به يک صنعت شکوفا براي مصرف کنندگان آن تبديل نمايد، البته او انتظار ندارد با اين سيستم شما بتوانيد فرضاً موبايل خود را در حاليکه از آن استفاده مي نماييد شارژ کنيد. او مي گويد:« اين به آن معنا نيست که شما بتوانيد هنگامي که روي کاناپه نشسته ايد BlackBerry خود را شارژ نماييد.»
آيا راهي وجود ندارد تا بتوان توان الکتريکي را بصورت بي سيم به فواصل دورتر فرستاد؟ پاسخ مثبت است، اما نه بصورت القايي بلکه شما بوسيله امواج ميکروموج و يا ليزر مي توانيد به اين مقصود دست يابيد.حتي مي توانيد ساده تر به اين قضيه نگاه کنيد. نور خورشيد نمونه اي عالي از انتقال توان از راه دور مي باشد.
حتي اگرالقاي تشديدي محدود به مسافتهاي کوتاه شود، باز هم اين تکنولوژي نقش مهمي درآينده انتقال توان الکتريکي بازي خواهد کرد. کويچ معتقد است:«امروزه ما مي توانيم يک ماشين را بطور کاملاً ايمن، از فاصله 20 تا 40 سانتيمتري شارژ کنيم و همچنين مي توان اين سيستم را در جاده ها بکار برد. شايد به يک دهه وقت نياز باشد تا ما شاهد چنين جاده هايي با سيستم هاي شارژ و انتقال توان بصورت بي سيم باشيم.»
اگر اين هدف براي ترامواها برآورده شود، شايد پس از آن نوبت به اتوبوس هاي الکتريکي با گستره وسيعتري باشد تا به اين تکنولوژي مجهز شوند.زياد دور از ذهن نيست اگر تصور کنيم چند دهه ديگر شاهد طراحي اتوموبيل هاي شخصي باشيم که مجهز به اين تکنولوژي باشند و انرژي مورد نياز خود را از سيستمهاي انتقال توان بي سيم ( تعبيه شده درجاده ها و خيابانها) بدست مي آورند. کسي چه مي داند شايد کساني که در سال 2010 Tesla Roadsters خريده اند اکنون دورنماي بزرگراه هايي را ترسيم مي کنند که به سيستم القاي توان بصورت بي سيم مجهز مي باشند.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه، شماره 132.
/ج
