צוות של MIT הצליח להדגים בניסוי העברת כוח חשמלי בצורה אלחוטית

בשיטה זו ניתן יהיה להטעין מחשבים ניידים וטלפונים סלולארים ללא חיבור לחשמל * הרעיון נולד בעקבות התעוררות החוקר הראשי בפרויקט כמה פעמים בתוך חודש כשמכשיר הסלולאר שלו צפצף ודרש בתקוף שיטעינו אותו

בתמונה: העברת כוח באוויר למרחק של שני מטר מסליל הנחושת שמשמאל לסליל הימני, שם האיר החשמל נורה בעוצמה של 60 ואט. חברי הצוות שביצעו את הניסוי חוסמים בגופם את קו הראיה בין שני הסלילים. בשורה הקדמית פיטר פישר (משמאל) ורובורט מוטאף, בשורה שניה מארטין סוליאצ'יץ' ובשורה השלישית אנדרה קורס (משמאל), ג'ון ג'ואנאפאולוס ואריסטידיס קארליס

“תארו לעצמכם עתיד שבו העברת כוח חשמלי ללא כבלים אפשרית: טלפונים סלולריים, רובוטים ביתיים, מכשירי MP3, מחשבים ניידים ושאר האביזרים האלקטרוניים הניידים יוכלו להטעין את עצמם בלא להיות מחוברים בכבלים לחשמל, ובכך לשחרר אותנו מהכבלים האחרונים שנשארו לנו – כבלי החשמל. יתכן שחלק מהמכשירים הללו לא יידרשו אפילו סוללות מגושמות כדי לפעול. כך כותב פרנקלין הדלי, מהמכון לננוטכנולוגיה צבאית ב-MIT במאמר שהופיע באתר המכון בשבוע האחרון, בעקבות מחקר שביצע צוות של חוקרים מהמחלקה לפיסיקה, המחלקה להנסת חשמל ולמדעי המחשב והמכון לננוטכנולוגיה צבאית (ISN – Institute for Soldier Nanotechnologies) במסגרתו הצליחו החוקרים להדגים באופן נסיוני צעד חשוב לקראת השגת הצעד העתידי הזה.
החוקרים – אנדר קורס, אריסטידיס קלאריס, רוברט מוטאף, פרופ' פיטר פישר ופרופ' ג'ון ג'ואנופאלוס (יו”ר ה-ISN) וראש הצוות, פרופ' מארין סולאיצ'יץ' הצליחו לממש את התחזית התיאורטית שלהם, ולהדליק נורה בהספק של 60 ואט ממקור כוח שהיה מרוחק למעלה מ-2 מטרים מהנורה ללא כל קשר פיזי בין המקור ובין הנורה. הצוות של MIT כינה את היכולת הזו כ- WiTricity (קיצור של wireless electricity). העבודה פורסמה בגליון ה-7 ביוני של כתב העת סיינס אקספרס – המהדורה המקוונת של כתב העת סיינס.

צפצופים מאוחר בלילה

הסיפור התחיל מאוחר בלילה לפני מספר שנים, כאשר סוליאצ'יץ' עמד בפיג'מה והתבונן במכשיר הטלפון הנייד שלו בפינת המטבח. “זו הפעם השישית באותו חודש שהתעוררתי מהצפצופים של הטלפון הסלולארי שהזכירו לי כי שכחתי להטעין אותו. חשבתי לעצמי שזה היה נפלא אילו הייתי יכול לסמוך עליו שיטעין את עצמו. ” כדי לאפשר זאת, נדרשה דרך להעביר את החשמל באוויר, ולכן החל סוליאצ'יץ' לחשוב איזו תופעה פיסיקלית יכולה לסייע להפוך את החלום למציאות.

מזה שנים רבות ידועות מספר שיטות להעברה אלחוטית של חשמל. יתכן שהדוגמה הטובה ביותר היא הקרינה האלקטרומגנטית כמו למשל גלי הרדיו. ואולם בעוד קרינה כזו מצוינת להעברה אלחוטית של מידע, היא אינה זמינה לשימוש להעברת חשמל. מכיוון שהקרינה מתפזרת לכל הכיוונים, מרבית הכוח מתבזבז לחלל הפתוח. דרך אחרת היא להשתמש בקרינה אלקטרומגנטית ישירה כגון לייזר, ואולם הדבר אינו מעשי ויתכן גם כי שיטה זו מסוכנת. היא דורשת קו ראיה ללא הפרעות בין המקור והמכשיר, כמו גם מערכת מעקב משוכללת כאשר המכשיר שרוצים לספק לו חשמל הוא מכשיר נייד.

המפתח: תהודה מגנטית משולבת

במקום בשיטות הללו, ה- WiTricity מבוססת על שימוש בתהודה מגנטית משולבת. שני עצמים מהדהדים באותו תדר תהודה מסוגלים להעביר אנרגיה באורח יעיל כשהם מתקשרים באופן רופף עם עצם אחר שאינו מהדהד. ילד בנדנדה זו דוגמה מצויינת לכך. נדנדה היא סוג של תהודה מכאנית כך שרק כאשר הילד דוחף ברגליו בתדר הטבעי של הנדנדה, הוא יכול להקנות לנדנדה אנרגית תנועה נוספת. דוגמה נוספת היא של תהודה אקוסטית. בחדר שבו 100 כוסות יין זהות, כל אחת מלאה ביין בגובה שונה, כך שלכל אחת יש תדר תהודה שונה. אם זמר אופרה שר מספיק חזק תו בודד בתוך החדר, הכוס בעלת התדירות המתאימה, עלולה לצבור מספיק אנרגיה אפילו כדי להתפוצץ, בעוד שלא תורגש כל השפעה על שאר הכוסות.

“בכל מערכת של תהודה משולבת, ישנו תחום המכונה איזור הפעולה ההדוק. אם ניתן להבטיח פעולה בתחום זה במערכת נתונה, העברת האנרגיה תוכל להיות יעילה ביותר.

בעוד תנאים אלו הם אוניברסלים, ומתאימים לכל סוג של תהודה (אקוסטית, מכאנית, אלקטרומגנטית), הצוות של MIT התמקד בסוג מסוים אחד – תהודה מגנטית משולבת (magnetically coupled resonators). הצוות חקר מערכת של בה שני עצמים מהדהדים מגנטית נוטים לתאם ביניהם תדרים בתחום השדה המגנטי. הם הצליחו לזהות את התחום ההדוק במערכת זו, אפילו כאשר המרחק ביניהם היה גדול פי כמה מהגודל של העצמים. בדרך זו הצליחו החוקרים להעביר אנרגיה באורח יעיל.

השיטה יעילה במיוחד ליישומים יום יומיים משוםם שמרבית החומרים מגיבים רק באורח חלש עם שדות מגנטיים, כך שההפרעה לעצמים אחרים בסביבה מדוכאת אפילו יותר. “העובדה היא ששדות מגנטיים מגיבים כל כך חלש עם יצורים ביולוגיים גם היא חשובה מההיבט הבטיחותי” אומר קורס, דוקטורנט לפיסיקה.

החוקרים פיתחו מערכת שבה שני סלילי נחושת, כאשר כל אחת מהמערכות פועלת בתדירות משל עצמה. אחד הסלילים חובר למקור כוח והפך להיות היחידה השולחת. במקום בהקרנה לסביבה ובזיהומה בגלים אלקטרומגנטיים, היא מילאה את האוויר מסביב בקרינה מגנטית לא מזיקה בתחום תדרי המגהרץ. השדה הלא מקרין שימש כטווח להעברת הכוח החשמלי לסליל השני (היחידה הקולטת), שתוכננה כך שתקיים תהודה עם השדה. הטבע התהודתי של התהליך מבטיח קשר חזק בין המכשיר השולח למכשיר המקבל, וקשר חלש עם שאר הסובב אותם.

WiTricity נשענת על חוקים ידועים של הפיסיקה ולכן נשאלת השאלה מדוע לא חשבו על כך קודם לכן? “בעבר, לא היה ביקוש כל כך גדול למערכות אלו, כך שלא היתה מוטיבציה לחקור לעומק” אומר ג'ואנאפולוס שהוסיף: “במהלך השנים האחרונות מכשירים אלקטרוניים נישאים כגון מחשבים נידים, טלפונים סלולארים, IPOD-ים ואפילו רובוטים המשמשים לעבודות שונות בבית ובחצר כגון שואבי אבק ומכסחי דשא, הפכו לאלחוטיים, הדורשים סוללות שיש צורך להטעינם לעיתלים קרובות.”

ומוסיף סוליאציץ': “כאשר בני היה בן שלוש, ביקרנו בבית של הסבא והסבתא שלו. היה להם טלפון בן 20 שנה ובני הרים את השפופרת ושאל: “מדוע הטלפון מחובר בחוט לקיר? – זו התפיסה של ילד שגדל בעולם האלחוטי. התגובה שלי היתה, 'זה מוזר? אני מקווה שנוכל להפטר מעוד כבלים וכך גם מסוללות בקרוב.”

העבודה מומנה בידי מרכז המחקר הצבאי (Institute for Soldier Nanotechnologies), הקרן הלאומית למדע ומשרד האנרגיה האמריקני.

למאמר ב-MIT NEWS

יש תקשורת אלחוטית – עכשיו גם חשמל אלחוטי