Najnowszy iPhone 8, który ma trafić na rynek jesienią, prawdopodobnie będzie wyposażony w bezprzewodową ładowarkę. Według niepotwierdzonych pogłosek pozwoli ona na ładowanie baterii nawet z odległości kilku metrów. Jeśli tak się stanie, Apple dołączy do grona firm, które coraz mocniej stawiają na wizję przyszłości bez kabli.
Jest wśród nich także wytwórnia Disneya, która w swych laboratoriach pracuje nad nowymi metodami przesyłania energii. Niedawno zaprezentowała przełomowe rozwiązanie – system bezprzewodowego ładowania, który obejmuje całe pomieszczenie. „Można do niego podłączyć wiele urządzeń jednocześnie: telefon, zdalnie sterowany samochód, wentylator, lampę…” – wyliczają inżynierowie Disneya. Czy w niedalekiej przyszłości będziemy mieli takie technologie w naszych mieszkaniach?
„Teoretycznie moglibyśmy w ten sposób przesyłać energię w zasadzie do wszystkich domowych urządzeń, ale w praktyce niekoniecznie musi to mieć sens. Podstawową przeszkodą są tu prawa fizyki” – wyjaśnia dr Cezary Worek z Katedry Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
NA POCZĄTKU BYŁY SZCZOTECZKI
Statystyki mogą napawać optymizmem. Według badań agencji IHS już 16 proc. konsumentów codziennie korzysta z bezprzewodowych ładowarek. Jednak lwia część tego rynku to stosunkowo niewielkie urządzenia – zwłaszcza te, z których korzystamy w łazience. W pomieszczeniu tym panują specyficzne warunki. Najczęściej jest tam wilgotno, co sprzyja awariom urządzeń elektrycznych. Pierwsi zrozumieli to producenci szczoteczek do zębów. Większość tych urządzeń korzysta dziś z tzw. ładowarek indukcyjnych.
Jak to działa? W stojaku na szczoteczkę znajduje się cewka – mały zwój przewodu. Stojak podłączony jest do gniazdka. Kiedy przez cewkę przepływa prąd, powstaje pole magnetyczne. Podobny zwój przewodu znajduje się w szczoteczce. Gdy pole magnetyczne dociera do niego, zachodzi zjawisko indukcji – w cewce zaczyna płynąć prąd, który ładuje akumulator urządzenia. Rozwiązanie jest wygodne, ale ma podstawową wadę – działa tylko na krótki dystans. Szczoteczka musi stać dokładnie na swoim stojaku, bo inaczej nie będzie się ładować.
System pokazany przez Disneya i podobne rozwiązania, które są już na rynku (i z których może skorzystać Apple), działają na trochę innej zasadzie. Wykorzystują tzw. sprzężenie magnetyczne obwodów rezonansowych, które wchodzi w interakcje praktycznie tylko z odbiornikiem w zasilanym urządzeniu. To zjawisko jest podobne do tego znanego z akustyki. Jeżeli uderzymy w pianinie klawisz
A, to struna A w gitarze po drugiej stronie pokoju zacznie wibrować. Jeżeli wejdziemy do pomieszczenia, w którym stoją szklanki wypełnione w różnym stopniu wodą i zaśpiewamy jeden konkretny dźwięk, to jedna ze szklanek nam odpowie, a pozostałe będą milczeć. W przypadku sprzężenia magnetycznego oznacza to, że można przesyłać energię na większe odległości z mniejszymi stratami.
JAK DUŻO MOŻNA STRACIĆ?
Jednak właśnie te straty są tu kluczowym elementem. „Nie sposób przesłać energii bezprzewodowo tak sprawnie jak przewodowo. Straty teoretycznie mogą wynosić 10–20 proc., w praktyce jest to 15–40 proc. Przy dużych odległościach przekraczają 50 proc.” – mówi dr Worek. W przypadku niewielkich urządzeń,
takich jak szczoteczki do zębów czy smartfony, nie jest to wielki problem. Ich ładowarki mają z reguły kilka watów mocy, więc strata nawet jednej trzeciej energii nie zwiększa za bardzo naszych rachunków za elektryczność.
Problemy zaczynają się przy większych mocach – takich jakich potrzebują np. systemy oświetleniowe, monitory komputerowe czy telewizory. Ich zapotrzebowanie na energię można liczyć w setkach watów, a straty przy bezprzewodowym przesyłaniu byłyby już kosztowne. Poza tym warto pamiętać, że tracona energia elektryczna jest zamieniana na ciepło. To oznacza, że bezprzewodowa ładowarka dużej mocy byłaby dodatkowym grzejnikiem w domu. „Z jednej strony to niebezpieczne, bo zwiększa się ryzyko przegrzania. Z drugiej kłopotliwe, bo podczas upalnego lata mielibyśmy jeszcze większe problemy ze schłodzeniem mieszkania niż dziś” – dodaje dr Worek.
Nic dziwnego, że bezprzewodowe systemy zasilania – takie jak głośny kilka lat temu WiTricity, opracowany w słynnym Massachusetts Institute of Technology – nie podbiły dotąd świata. Przesyłają zbyt mało energii, by mogły zastąpić nawet część naszych domowych kabli. Teoretycznie można by zwiększyć
moc takich systemów, ale tu znów pojawiają się ograniczenia. „Nie wiadomo, czy byłoby to bezpieczne dla zdrowia ludzi. Im więcej energii próbujemy przesłać bezprzewodowo, tym większe ryzyko. Ludzie coraz bardziej obawiają się takich rozwiązań” – wyjaśnia dr Worek. I dodaje, że pokój stworzony przez
badaczy Disneya miał m.in. ściany wyłożone metalowymi panelami – coś, czego raczej nikt z nas nie ma w domu. Taka instalacja wymagałaby gruntownego remontu.
Przyszłość mają systemy stosowane w innych miejscach niż mieszkania. Firmy pracują nad instalacjami, które będą doładowywać akumulatory elektrycznych pojazdów: autobusów podczas postoju na przystanku albo samochodów stojących na podmiejskich parkingach. „Jeśli zwiększa to wygodę, straty przy przesyłaniu energii mogą być do zaakceptowania. W Azji działają już centra logistyczne, po których jeżdżą bezprzewodowo zasilane wózki widłowe. Energię czerpią z podłogi, po której się poruszają” – opowiada dr Worek.
ENERGIA DLA DROBIAZGÓW
Bezprzewodowe ładowarki mogą znaleźć także nowe, nieznane dziś zastosowania, ponieważ w naszym otoczeniu przybywa drobnej elektroniki. To nie tylko telefony, tablety czy zegarki, ale też elementy tzw. internetu rzeczy – małe kamery i czujniki umieszczone w różnych obiektach. Każdy taki drobiazg wymaga
zasilania. Wymienianie baterii jest niewygodne, podłączanie kabelków często utrudnia montaż czujników.
Rozwiązaniem może być czerpanie energii z wszechobecnych fal radiowych. Naukowcy z University of Washington postanowili wykorzystać do tego WiFi – popularną metodę bezprzewodowego dostępu do internetu. „Udało nam się stworzyć system, w którym zwykły domowy router WiFi może być także
bezprzewodowym zasilaczem” – mówi Vamsi Talla, jeden z badaczy biorących udział w projekcie. Tyle tylko, że w tym przypadku mówimy o zasilaniu urządzeń o mocy liczonej w mikrowatach. Zwykły smartfon wymaga milion razy większej mocy.
Nawet w przypadku telefonów korzystanie z bezprzewodowych ładowarek nie jest powszechne. Dziś najczęściej działają one w jednym z dwóch konkurencyjnych systemów – Qi lub Rezence. „Korzystanie z takich rozwiązań powinno być zunifikowane, przez
co tak łatwe i intuicyjne jak podłączanie się do sieci WiFi. Póki producenci się nie dogadają i nie powstanie jeden standard, bezprzewodowe ładowanie nie będzie wykorzystywane w dużej skali” – przewiduje dr Worek.
MIKROFALE NA DUŻE ODLEGŁOŚCI
Jeszcze bardziej odległe wydaje się zastąpienie linii wysokiego napięcia przez nadajniki bezprzewodowe. Teoretycznie można to zrobić dzięki mikrofalom. Już w latach 80. XX wieku udowodnili to kanadyjscy inżynierowie, którzy skonstruowali zasilany na odległość samolot nazwany Sharp. Naukowcy od dawna snują wizje, w których wiązki mikrofal pozwolą nam przesyłać duże ilości energii np. z elektrowni
słonecznych położonych na pustyniach, a nawet w kosmosie. Jednak do dziś nikt nie wymyślił, jak zrobić
to w bezpieczny i opłacalny sposób. „Wiązki mikrofal byłyby tak silne, że mogłyby zabić przelatujące przez nie ptaki. A cała instalacja mogłaby pracować bez zakłóceń tylko w miejscach odludnych, takich jak szczyty gór” – twierdzi Alasdair Philips, ekspert od promieniowania elektromagnetycznego. Wygląda
więc na to, że producenci kabli i przewodów nadal mogą spać spokojnie.