[Zohreh Gholami]

انتقال الکتریسیته بدون استفاده از سیم

شايد شما هم آرزو كرده‌ايد كه اي كاش مي‌توانستيد گوشي تلفن همراه خود را از راه دور و بدون نياز به اتصال به پريز برق شارژ كنيد و يا اين‌كه وسايل الكتريكي خود را در هر جا كه مي‌خواهيد و به صورت بي‌سيم به كار اندازيد. جالب است بدانيد كه دانشمندان از سال‌ها پيش به فكر تحقق اين آرزو‌ها بوده‌اند. يك قرن پيش بود كه نيكلا تسلا ايده انتقال الكتريسيته بدون استفاده از سيم را مطرح و پيگيري كرد و به همين منظور يك سلسله آزمايش‌هاي مبتكرانه را به مرحله اجرا درآورد. او تعدادي لامپ‌ الكتريكي را به صفحات فلزي معلق در يك ميدان الكتريكي پرقدرت متصل كرد و كوشيد آنها را به وسيله يك فرستنده الكتريسيته راه دور روشن كند. او در سال 1898 و پس از موفقيت در يك سري آزمايش‌هاي ميداني، پيشنهاد كرد كه يك سيستم جهاني از برج‌هاي غول‌پيكر كه در مجموع يك شبكه ارتباط بي‌سيم جهاني را تشكيل مي‌دادند، به وجود آيد كه با استفاده از آن مي‌شد الكتريسيته را به صورت بي‌سيم به اقصي‌نقاط جهان فرستاد. اين ايده با استقبال نسبي دولتمردان و سرمايه‌گذاران آمريكايي روبه‌رو شد و ساخت اولين برج از مجموعه‌هاي تشكيل‌دهنده سيستم جهاني تسلا در سال 1901 در جزيره لانگ آيلند آغاز شد. حاميان مالي اين پروژه، چند بانك بزرگ از جمله جي ‌پي ‌مورگان بودند كه پس از مدت كوتاهي و به دلايل مالي از ادامه حمايت‌هاي مالي خود پا پس كشيدند.

امروزه، ايده‌اي كه در ذهن تسلا بود، دوباره جان گرفته و شركت‌هاي بسياري در حال مطالعه بر روي راهي براي انتقال الكتريسيته بدون استفاده از سيم و البته در مقياس‌هايي محدود‌تر از آنچه كه مورد نظر تسلا بود، هستند. به عنوان مثال، شركت "واي تريسيتي"2 توانسته است انرژي الكتريكي لازم براي روشن كردن يك تلويزيون ال سي دي از فاصله چند متري و بدون استفاده از سيم را ارسال كند. دانشمندان اميدوارند بتوانند انرژي مورد نياز وسايل برقي كوچك از جمله حسگر‌هاي نصب شده در ساختمان‌ها و حتي ماشين‌آلات صنعتي كوچك را با كمك فرستنده‌هاي مايكروويو بي‌‌سيم نصب شده در فواصل مشخص تامين و ارسال كنند.


چيزي شبيه به جادو
به عقيده بسياري، انتقال الكتريسيته به وسايل برقي بدون استفاده از سيم و از راه دور، چيزي شبيه به داستان‌هاي جادوگري است. دكتر "اسميت" و دكتر "آلنسون سمپل"، از پژوهشگران دانشگاه واشنگتن توانسته‌اند به چند حسگر مخصوص سنجش رطوبت و دما از فاصله 4 كيلومتري و از يك ايستگاه تلويزيوني، برقي‌رساني كنيد. اين انتقال برق از يك فرستنده يك مگاواتي آغاز شده و به صورت انرژي الكتريكي 60 ميكرو واتي در حسگر دريافت مي‌شود. يكي ديگر از محققان دانشگاه بنام "اسكات ساوث وود" نيز موفق شده است يك حسگر ويژه هواشناسي كه قادر به اندازه‌گيري درجه دما و فشار هواست را با استفاده از انرژي الكتريكي راه دور به كار بيندازد.

شركت نوكيا، بزرگ‌ترين توليد‌كننده گوشي‌هاي تلفن همراه در جهان نيز به موضوع انتقال بي‌سيم الكتريسيته توجه خاصي نشان داده‌ است و در تلاش است با كمك دكل‌هاي فرستنده امواج راديويي شامل  فرستنده‌هاي راديويي، تلويزيوني، Wi-Fi و موبايل يك سيستم جامع و فراگير جذب و انتقال بي‌سيم الكتريسيته را پديد آورد.

براساس بررسي‌هاي انجام شده توسط مهندسان شركت نوكيا، از هر كدام از فرستنده‌هاي ارسال‌كننده امواج راديويي مي‌توان تا 5 ميلي‌ وات برق دريافت كرد كه در مجموع انرژي الكتريكي برابر با 20 ميلي‌وات را تشكيل مي‌دهد. اين ميزان الكتريسيته براي قرار دادن گوشي تلفن همراه در حالت آماده‌باش كفايت مي‌كند اما براي شارژ كامل يك تلفن موبايل از راه دور به 50 ميلي‌وات انرژي راه دور نياز است.

در نمايشگاه بين‌المللي لوازم الكترونيكي نيويورك كه در ژانويه سال 2010 برگزار شد، اختراع جديدي نظر بازديد‌كنندگان را به خود جلب كرد كه قادر به جذب انرژي الكتريكي از فرستنده‌هاي راديويي و تلويزيوني اطراف بود. از اين اختراع جديد مي‌توان براي شارژ تلفن‌هاي همراه استفاده كرد. براساس گفته‌هاي سازندگان اين اختراع، از اين دستگاه‌ مي‌توان براي انتقال الكتريسيته و شارژ وسايل برقي كوچك از قبيل حسگر‌ها، ماشين‌ حساب و ساعت بهره‌ برد و اين اميد مي‌رود تا در آينده‌اي نزديك بتوان براي شارژ گوشي‌هاي موبايل و دستگاه‌هاي پخش موسيقي نيز از اين دستگاه استفاده كرد.

به هر حال، ايده جذب امواج راديويي و استفاده از آنها براي توليد و انتقال انرژي رويايي است كه مي‌رود تا به تحقق بپيوندد و وابستگي و محدود بودن وسايل الكتريكي به سيم و پريز برق به زودي برطرف خواهد شد.

جعبه متن

منبع: دانشمند

[Zohreh Gholami]

انتقال نیروی برق بدون استفاده از سیم


انتقال نيروي برق بدون استفاده از سيم، از روياهاي ديرينه نويسندگان علمي‌تخيلي به شمار مي‌رود. اما با پيشرفت‌هاي مهندسي، ابزارهاي همراه و خودروهاي الكتريكي، اين رويا به زودي به واقعيت مي‌پيوندد. كابل‌هاي برق همواره گرد و غبار را به خود جلب مي‌كنند. كامپيوترها، تلويزيون‌ها و پخش كننده‌هاي موسيقي هر ساله باريك‌تر مي‌شوند، ولي سيم‌هاي جمع شده در گوشه هر اتاق، يك مانع زشت بر سر راه مينيماليسم واقعي است. آيا راهي براي حل اين مشكل وجود دارد؟

بعد از آن دردسر شارژ تلفن‌ها، ام‌پي‌تري پليرها و پي‌دي‌اي‌ها قرار دارد. معمولا خيلي دردسر ساز نيست، ولي خيلي پيش مي‌آيد كه شارژ باطري را فراموش كنيد و خانه را با يك باطري خالي ترك كنيد. آيا زندگي ساده‌تر نمي‌شد اگر هنگامي كه وارد يك ساختمان مي‌شديد، نيروي برق به طور نامرئي به دستگاه شما تابيده مي‌شد؟ ارتباطات بي‌سيم در همه جا وجود دارد، پس چرا ما نمي‌توانيم براي هميشه دستگاه‌هاي الكترونيك خود را هم از كابل‌هاي برق جدا كنيم. نيوساينتيست در مقاله‌اي به پاسخي براي اين پرسش پرداخته است.

تا كنون بهره‌وري پايين انتقال توان و مسائل ايمني، تلاش‌ها براي انتقال بي‌سيم نيروي برق را بي‌اثر كرده بود، ولي چند شركت نوآور جديد التاسيس و چند نام بزرگ، مانند سوني و اينتل، يك بار ديگر سعي دارند اين امر را ممكن سازند. چند ساله اخير شاهد ارائه سمينارهايي بوده است كه وعده تامين نيروي الكتريكي مورد نياز براي موبايل‌ها، لپتاپ‌ها و تلويزيون‌ها به صورت بي‌سيم مي‌دهند. آيا ما به زودي شاهد وداع با سيم، يك بار و براي هميشه خواهيم بود؟


آرزويي به قدمت توليد برق
ايده انتقال بي‌سيم نيرو تقريبا به اندازه خود توليد برق قدمت دارد. در آغاز قرن بيستم، نيكلا تسلا پيشنهاد استفاده از كويل‌هاي بزرگ براي انتقال برق از طريق لايه تروپوسفر اتمسفر به خانه‌ها را داد. او حتي شروع به ساخت يك برج به نام واردن‌كليف در لانگ‌آيلند نيويورك كرد، كه يك برج مخابراتي خيلي بزرگ بود كه مي‌توانست با استفاده از آن ايده خود براي انتقال بي‌سيم نيروي برق را بيازمايد. ولي داستان جايي قطع شد كه حاميان مالي وي، هنگامي كه دريافتند كه هيچ راه عملي وجود ندارد كه بشود مطمئن شد كه مردم پول برقي را كه از ان استفاده مي‌كنند مي‌پردازند، و در عوض شبكه برق سيمي گسترش يافت.

انتقال بي‌سيم دوباره در دهه 1960 بروز يافت، زماني كه يك هليكوپتر مينياتوري به نمايش درآمد كه انرژي خود را از امواج مايكروويوي دريافت مي‌كرد كه از زمين به آن تابيده مي‌شد. برخي ادعا كردند كه يك روز ما قادر خواهيم بود كه نيروي مورد نياز فضاپيماهاي خود را با تاباندن پرتوهاي ليزر به آنها تامين كنيم. و به همين ترتيب، كارهاي نظري زيادي بر روي احتمال تاباندن نيرو به زمين از فضاپيماهايي كه انرژي خورشيدي را جذب مي‌كنند، انجام شد.

با اين وجود، انتقال نيروي بي‌سيم زمين به زمين در فاصله طولاني، نياز به زيرساخت‌هاي گران قيمتي دارد، و با نگراني‌ها در مورد امنيت انتقال نيرو از طريق امواج مايكروويو پرتوان، خيلي از اين ايده استقبال نشد.

دردسري به نام كابل برق
به رغم اينكه ما در آينده نزديك شاهد يك شبكه نيروي بي‌سيم نخواهيم بود، ايده تاباندن انرژي در يك مقياس كوچك‌تر به سرعت در حال گسترش است. اين تا حد زيادي به اين دليل است كه با وجود ارتباطات بي‌سيم، مانند واي‌فاي و بلوتوث، و مدارهاي الكتريكي كه هر روز كوچك‌تر مي‌شوند، اكنون كابل‌هاي برق تنها مانع بر سر راه اين هستند كه كاملا قابل حمل شوند.

با اين محرك جديد، مهندسين و شركت‌هاي نواور به استقبال اين چالش رفتند و به رغم اينكه تاباندن انرژي هنوز در مرحله طفوليت قرار دارد، به نظر مي‌رسد كه سه حالت براي آينده آن متصور باشد. استفاده از امواج راديويي براي انتقال الكتريسيته شايد مشخص‌ترين راه حل باشد، چرا كه در اصل از همان نوع از فرستنده‌اي و گيرنده‌اي استفاده مي‌كنيد كه در مخابرات واي‌فاي از آن استفاده مي‌شود. شركت پاوركست كه در پيتزبورگ پنسيلوانيا مستقر است، به تازگي از اين فناوري براي انتقال نيرويي در حد ميكرووات و يا ميلي‌وات در فواصل بيش از 15 متر براي حسگرهاي صنعتي استفاده كرده است. آنها اعتقاد دارند كه مي‌توان يك روز از رويكرد مشابهي براي شارژ ابزارهاي كوچكي مانند كنترل از راه دور، ساعت‌هاي زنگ‌دار و يا حتي موبايل استفاده كرد.

يك احتمال دوم براي ابزارهاي پرمصرف‌تر، تاباندن يك پرتو ليزر فروسرخ تنظيم شده به يك سلول فتوولتائيك است كه پرتو را به انرژي الكتريكي بازتبديل مي‌كند. اين رويكردي است كه شركت PowerBeam واقع در سن‌خوزه كاليفرنيا انتخاب كرده است، ولي تا كنون بازدهي آن تنها بين 15 و 30 درصد بوده است. درست است كه مي‌توان از اين روش براي تامين نيروي دستگاه‌هاي پرمصرف‌تر استفاده كرد، ولي در عمل تلفات زيادي دارد.

اين فناوري براي تامين نيروي لامپ‌هاي بي‌سيم، بلندگوها و ابزارهاي الكترونيك با مصرف برق كمتر از 10 وات به كار رفته است. در طول زمان و با ارتقاي فناوري ليزر و سلول‌هاي فتوولتائيك، شركت اميدوار است كه بازدهي بالاتر از 50 درصد هم امكان پذير شود. گراهام مي‌گويد: «هيچ دليلي وجود ندارد كه ما نتوانيم در نهايت يك لپتاپ را به اين ترتيب شارژ كنيم». بر خلاف برخي از فناوري‌هاي امكان پذير ديگر، يك ليزر متمركز انرژي كمي را در فواصل طولاني از دست مي‌دهد، و بازدهي خود را از دست نمي‌دهد: «صد متر فاصله طواني محسوب نمي‌شود».


پرتوهاي دردسرساز
ديگران نسبت به عملي بودن اين روش براي ابزارهاي واقعا قابل حمل خوشبين نيستند، ابزاري كه دائما در و بين اتاق‌ها در حركت هستند. منو ترفرز، رئيس كنسرسيوم نيروي بي‌سيم در هلند مي‌گويد: «يك پرتو فروسرخ نمي‌تواند براي شارژ يك گوشي موبايل مناسب باشد، چرا كه جاي مشخصي ندارد». راه حل پاوربيم قرار دادن يك لامپ كوچك فلوئورسنت در دستگاه گيرنده است تا دوربيني كه در فرستنده كار گذاشته شده است، بتواند آن را رهگيري كند و امواج ليزر را به همان سو بفرستد. مشكل ديگر اين است كه براي هر دستگاهي كه مي‌خواهيد شارژ كنيد بايد يك پرتو مجزا فرستاده شود، مسئله‌اي كه به گفته آريستيديس كاراليس از ام‌آ‌ي‌تي براي مهندسين دردسرساز خواهد بود، وي در حال حاضر مشغول كار بر روي يك سيستم جايگزين انتقال بي‌سيم نيروي برق است.

سومين احتمال نيز القاي مغناطيسي است، كه جذاب‌ترين انتخاب براي كاربرد‌هاي بزرگ محلي است. يك ميدان مغناطيسي متناوب كه از يك كويل ناشي مي‌شودكه مي‌تواند در كويل ديگري كه در نزديكي آن باشد، جريان الكتريكي را القا كند، اين همن روشي است كه خيلي از ابزارها مانند مسواك‌هاي برقي و حتي برخي از موبايل‌ها باطري‌هاي خود را شارژ مي‌كنند. ولي مشكل اينجا است كه به رغم اينكه درست در مجاورت كويل، بازدهي دستگاه خيلي خوب است ولي وقتي كه حتي تنها چند ميليمتر فاصله وجود داشته باشد، اين بازدهي به صفر مي‌رسد.

اين اصل شناخته شده‌اي است كه در صورتي كه دو شيء در فركانس مشابهي رزونانس داشته باشند، انرژي مكانيكي منتقل شده، خيلي بيشتر مي‌شود، وقتي كه يك خواننده اپرا با صداي خود يك ليوان را به لرزش در مي‌آورد از همين اصل استفاده مي‌كند. كاراليس و همكارانش مي‌خواستند تا ببينند كه آيا مي‌توان به همين ترتيب بازدهي ميدان مغناطيسي را در فواصل طولاني‌تر بالا برد يا نه.

گروه از يك كويل القايي متصل به يك خازن استفاده كردند. انرژي در مدار به سرعت بين يك ميدان الكتريكي در خازن و يك ميدان مغناطيسي در كويل نوسان مي‌كند. فركانس اين لرزش توسط توانايي خازن براي ذخيره بار و قابليت كويل براي توليد يك ميدان مغناطيسي كنترل مي‌شود. اگر فركانس در مدار فرستنده انرژي با گيرنده متفاوت باشد، رزونانس اتفاق نمي‌افتذ. نتيجه اين خواهد بود كه انرژي ارسالي از سوي فرستنده هم فاز با انرژي كه در گيرنده وجود دارد نخواهد بود و در نتيجه آن، اين دو همديگر را خنثي مي‌كنند. ولي گروه به اين نكته توجه داشت كه اگر فرستنده و گيرنده رزونانت باشند، ميدان‌ها در دو كويل با هم سنكرون خواهند بود، كه به اين معني است كه تداخل آنها سازنده است و مقدار انرژي منتقل شده افزايش مي‌يابد.

آنها نظريه خود را در سال 2007 با موفقيت آزمايش كردند، نتيجه: انتقال 60 وات در فاصله 2 متر، با بازدهي 50 درصد. گروه از آن زمان و برا پيشبرد اين نظريه، يك شركت تأسيس كرده كه WiTricity نام دارد. سال ذشته، شركت از دو كويل مربعي به عرض 30 سانتيمتر استفاده كرد، يكي در فرستنده و ديگري در گيرنده، تا يك تلويزيون 50 واتي را با بازدهي 70 درصدي، در فاصله نيم متري از منبع نيرو تغذيه كند. كاراليس مي‌گويد: «در برخي موارد، افزايش بازدهي در اثر رزونانس مي‌تواند بيش از صد هزار بار بيش از حالت بدون رزونانس باشد». بر خلاف انتقال انرژي ليزري كه نياز به ديد مستقيم داشت، ميدان مغناطيسي روي گيرنده متمركز نمي‌شود و مي‌تواند از موانع بين فرستنده و گيرنده هم عبور كند.

شركت‌هاي بزرگ الكترونيكي نيز به سرمايه گذاري روي «انتقال رزونانسي» علاقه نشان داده‌اند. براي مثال، سوني يك تلويزيون بي‌سيم را به نمايش گذاشته و اينتل نيز در حال سرمايه گذاري بر روي اين فناوري براي دسته‌اي از ابزارها است. اميلي كوپر، از محققين آزمايشگاه اينتل در سياتل مي‌گويد: «بازدهي انتقال نيرو كاملا مستقل از ميزان توان است، در نتيجه مي‌توان براي لپتاپ‌ها، دستگاه‌هاي الكترونيكي براي مصرف‌كنندگان مانند تلويزيون‌ها، و ابزارهاي كوچك‌تر قابل حملي مانند موبايل‌ها هم مي‌توان از همين روش استفاده كرد». به عبارت ديگر، بازدهي انرژي براي تغذيه يك تلويزيون پلاسماي بزرگ و يك پي‌دي‌اي كوچك با استفاده از رزونانس به يك اندازه خواهد بود.

با چنين ارائه‌هاي نويدبخشي، به نظر محتمل مي‌آيد كه انتقال نيرو بدون سيم، در آينده نقش مهمي در منازل ما بازي كند. در حال حاضر، يك استاندارد تكنيكي، كه Qi نام دارد، براي تكنيك القاي مغناطيسي غير رزونانسي وجود دارد، و صفحات سازگار با آن نيز به زودي در دسترس خواهند بود. براي ديگر روش‌ها هنوز زود است، ولي استانداردهاي مشابهي نيز براي آنها ارائه خواهند شد.


مضرات براي انسان
ولي اين فناوري با موانعي نيز روبرو خواهد شد. به يك دليل، شما نگراني در مورد انتقال پرتوهاي نسبتا پرتوان انرژي از اتمسفر را ناديده گرفته‌ايد. براي مثال، انتقال ليزري را در نظر بگيريد: كاراليس مي‌گويد كه «انرژي بالايي كه در پرتوهاي اريك ليزر متراكم شده مي‌تواند صدمات جدي به سلامتي افراد وارد كند». ولي در محصولات پاوربيم اين امر خطرناك نخواهد بود. اگر دوربين كوچك روي فرستنده نتواند لامپ كوچك روي گيرنده را ببيند، در عرض چند هزارم ثانيه ليزر را خاموش مي‌كند. و جهت افزايش ايمني هم، اگر گيرنده يك قطعي ناخواسته در دريافت ليزر را حس كند، پيامي از طريق راديو براي فرستنده ارسال مي‌كند.

ولي قرار گرفتن در معرض امواج راديويي و ميدان‌هاي مغناطيسي متناوب نيز خطرات بالقوه خود را دارد. اگر آنها گرما را به سلول‌هاي ما ارسال كنند، مي‌توانند در يك بازه زماني طولاني به بافت‌ها آسيب وارد كنند. ولي با توجه به اين كه ميزان امواجي كه محصولات شركت‌هايي مانند ويتريسيتي ما را در معرض آن قرار مي‌دهند كمتر از حد مجاز استانداردها است، نبايد خطر خاصي ما را تهديد كند.

ولي اين ترس وجود دارد كه ميدان‌هاي الكترومغناطيسي بافت‌ها را از طريق يك مكانيزم ديگر غير گرمايي تخريب كنند، مانند نگراني كه در مورد گوشي‌هاي موبايل وجود دارد. وقتي كه هيچ تحقيق گسترده در دسترسي براي آزمودن در معرض قرار گرفتن در طولاني مدت وجود ندارد، آنها مجبور بودند كه به تحقيقات آزمايشگاهي اتكا كنند، كه آنها هم هيچ تاثير آشكار يا تكرار پذيري را پيدا نكرده‌اند. و اين يعني اين كه اين قضيه مضر بودن يا نبودن امواج مايكروويو كماكان لاينحل باقي خواهد ماند.

ولي شايد نگراني بيشتر مربوط به مسائل زيست محيطي باشد. در حالي كه زمين هر روز گرم‌تر مي‌شود، خيلي از مردم به دنبال راهي براي افزايش بهره‌وري و ذخيره انرژي مي‌گردند، تا به اين ترتيب انتشار گازهاي گلخانه‌اي از نيروگاه‌ها كاهش يابد. براي برخي از افراد، انتقال بي‌سيم نيروي برق با توجه به تلفاتش، به معني يك گام رو به عقب خواهد بود.

شايد وقتي به تك تك ابزارها نگاه مي‌كنيم، ميزان اتلاف انرژي زياد به نظر نرسد، ولي اگر كل خانه از يك سيستم بي‌سيم استفاده كند و اين امر در تعداد زيادي از منازل اتفاق بيفتد، داستان ديگري خواهد بود. پرسش اين است كه چرا بايد به جاي كاهش تلفات مصرف برق، رو به يك سيستم بي‌سيم انتقال انرژي بياوريم، فقط به اين دليل كه زيباتر خواهد بود؟

جعبه متن

منبع: خبر آنلاين