Исследователи из Университета Мичигана и Университета Токио разработали систему для безопасной доставки электричества по воздуху, потенциально превратив целые здания в зоны беспроводной зарядки.
Детальнее в новом исследовании , опубликованном в Nature Electronics , технология может доставить 50 ватт мощности с использованием магнитных полей.
Автор исследования Алансон Сэмпл, профессор компьютерных наук и инженерии UM, говорит, что в дополнение к телефонам и ноутбукам эта технология также может питать имплантированные медицинские устройства и открывать новые возможности для мобильной робототехники в домах и на производственных объектах. Команда также работает над внедрением системы в пространствах, меньших размера комнаты, например, в ящике для инструментов, который заряжает инструменты, размещенные внутри.
«Это действительно увеличивает мощность вездесущего компьютерного мира — вы можете подключить компьютер к чему угодно, даже не беспокоясь о зарядке или подключении к сети», — сказал Сэмпл. «Существует также множество клинических применений; сегодняшним сердечным имплантатам, например, требуется провод, который проходит от насоса через тело к внешнему источнику питания. Это могло бы устранить такую необходимость, снизив риск заражения и улучшив качество лечения пациентов.»
Команда, возглавляемая исследователями из Токийского университета, продемонстрировала технологию в специально построенной алюминиевой испытательной комнате размером примерно 3 на 3 метра. В комнате они обеспечивают беспроводное питание ламп, вентиляторов и сотовых телефонов, которые могут потреблять ток из любой точки комнаты, независимо от расположения людей и мебели.
Готовая зарядная комната, расположенная в Токийском университете. Предоставлено: Токийский университет.
По словам исследователей, эта система является значительным улучшением по сравнению с предыдущими попытками создания систем беспроводной зарядки, в которых использовалось потенциально опасное микроволновое излучение или требовалось разместить устройства на специальных зарядных площадках. Вместо этого ученые используют проводящую поверхность на стенах комнаты и проводящий полюс для генерации магнитных полей.
Устройства используют магнитное поле с помощью катушек, которые можно интегрировать в электронику, например, в сотовые телефоны. Исследователи говорят, что систему можно легко масштабировать до более крупных сооружений, таких как фабрики или склады, при этом соблюдая существующие правила безопасности для воздействия электромагнитных полей.
«Что-то подобное было бы проще всего реализовать в новом строительстве, но я думаю, что возможны и модификации», — сказал Такуя Сасатани, исследователь из Токийского университета и автор-корреспондент исследования. «В некоторых коммерческих зданиях, например, уже есть металлические опоры, и должна быть возможность распыления проводящей поверхности на стены, возможно, аналогично тому, как делают фактурные потолки».
По словам Сэмпла, ключом к созданию системы является создание резонансной структуры, которая могла бы создавать магнитное поле размером с комнату, ограничивая при этом вредные электрические поля, которые могут нагревать биологические ткани.
В решении команды использовались устройства, называемые сосредоточенными конденсаторами. Помещенные в полости стен, они создают магнитное поле, которое резонирует через комнату, удерживая электрические поля внутри самих конденсаторов. Это преодолевает ограничение предыдущих беспроводных систем электропитания, которые ограничиваются либо передачей большого количества энергии на несколько миллиметров, либо очень маленьким количеством энергии на большие расстояния.
Конденсаторы с сосредоточенными параметрами, установленные в полостях стены в комнате для беспроводной зарядки. Предоставлено: Токийский университет.
Второе препятствие заключалось в том, как создать магнитное поле, которое достигает каждого угла комнаты — магнитные поля имеют тенденцию распространяться по кругу, создавая мертвые зоны в квадратной комнате. Кроме того, приемники должны быть выровнены по полю определенным образом, чтобы потреблять энергию.
«Вытягивание энергии с помощью катушки во многом похоже на ловлю бабочек сеткой», — сказал Сэмпл. «Уловка состоит в том, чтобы как можно больше бабочек кружили по комнате во всех возможных направлениях. Таким образом, вы будете ловить бабочек независимо от того, где находится ваша сеть или в какую сторону она направлена».
Для этого система генерирует два отдельных трехмерных магнитных поля. Один движется по кругу вокруг центрального полюса комнаты, а другой кружится по углам, путешествуя между соседними стенами. Такой подход устраняет мертвые зоны, позволяя устройствам получать электроэнергию из любой точки пространства.
Испытания с анатомическими манекенами показали, что система может подавать не менее 50 Вт мощности в любое место в комнате без превышения рекомендаций FCC по воздействию электромагнитной энергии. Сэмпл сказал, что, однако, вполне вероятно, что можно будет обеспечить более высокие уровни мощности при дальнейшей доработке системы.
Исследователи отмечают, что внедрение системы в коммерческих или жилых помещениях, скорее всего, займет годы. В настоящее время они работают над тестированием системы в здании в университетском городке UM. Они будут реализовывать это как модернизацию, так и новое строительство в серии помещений, в которых используются стандартные методы строительства, с датой завершения, установленной на эту осень.
В команду также входит Ёсихиро Кавахара, профессор электротехники и информационных систем Токийского университета. Исследование было поддержано Японским агентством науки и технологий и Японским обществом содействия науке.
Дополнительная информация: Sasatani, T. и др., Магнитоквазистатическая беспроводная передача энергии в масштабе комнаты с использованием многомодового резонатора на основе резонатора. Нат Электрон (2021). doi.org/10.1038/s41928-021-00636-3
Иллюстрация: Зал для беспроводной зарядки строится в Токийском университете. Предоставлено: Токийский университет.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК