Беспроводное электричество в прямом смысле означает передачу электрической энергии без использования проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей данных через Wi-Fi, сотовые телефоны и радио. В сущности, это тоже форма передачи энергии. Некоторые считают эту технологию новой, но это не так. Беспроводное электричество известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Были проведены многочисленные эксперименты, в результате которых был создан первый электрический трансформатор. Однако в полной мере реализовать идею передачи электричества на расстояние удалось лишь Николе Тесле. В 1893 году на выставке в Чикаго он продемонстрировал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, расположенные на значительном расстоянии друг от друга.
Тесла представил несколько методов передачи электричества без проводов, мечтая, что в будущем такие технологии позволят передавать энергию на большие расстояния. Первый и самый простой способ передачи электроэнергии – это использование индуктивных катушек. Принцип работы очень прост: две катушки размещаются рядом друг с другом, на одну подается напряжение, а другая принимает его, однако расстояние передачи очень маленькое – обычно всего несколько сантиметров. Обычный трансформатор переменного тока уже является простейшим устройством для беспроводной передачи электроэнергии. Многие даже не подозревают, что этот метод используется уже давно. Мы пользуемся приборами, работающими на основе беспроводной передачи электричества, такими как беспроводные зарядные устройства для телефонов или электрические зубные щетки, заряжающиеся на подставке. Когда они только появились, их называли новейшей разработкой, но на самом деле это технология XIX века.
Учёные даже планируют таким способом заряжать электромобили, предполагая, что для зарядки машины достаточно будет наехать на специальную площадку, где будет передаваться электричество. Второй метод передачи энергии – это использование ультразвука. Ультразвук представляет собой продольные волны с частотой колебаний свыше 20 кГц. Человек воспринимает звуки только до частоты 20 кГц, поэтому ультразвуковые волны мы не слышим. Сейчас ультразвук применяется во многих областях, даже для обработки строительных материалов.
Однако недавно учёным из США удалось с помощью ультразвука передать электрический ток. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, а приемник преобразовывал их в электрический ток. Проблема этого метода в том, что его КПД очень низок, необходима прямая видимость между устройствами, а расстояние ограничено несколькими метрами. Этот способ пока мало изучен, но уже считается перспективным.
Третий метод - это электростатическая индукция. В основе этого метода лежит принцип передачи энергии через тело диэлектрика. Известно, что в пространстве действуют силы электрического поля, и многочисленные эксперименты над заряженными телами подтверждают это. Пространство вокруг любого заряженного тела является электрическим полем, где действуют электрические силы.
Метод передачи энергии таким образом называют «ёмкостной связью». Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя. Никола Тесла использовал этот метод для демонстрации беспроводной лампы освещения. Лампа питалась от переменного электрического поля высокой частоты и светилась, независимо от её перемещения в комнате. Никола Тесла не боялся исследовать новые технологии и благодаря этому добился успеха и стал известен всему миру.
Четвёртый метод передачи энергии основан на использовании СВЧ (сверхвысоких частот). Специальные микроволны длиной в 12 сантиметров и частотой в 2,45 гигагерца являются как бы прозрачными для атмосферы, и она не мешает их распространению. Главное преимущество этого метода в том, что при плохой погоде потери при передаче составляют всего 5 процентов. Для этого электрический ток сначала преобразуют в микроволны, затем их ловят и снова превращают в электричество. Учёные решили первую задачу давно, изобретя устройство для преобразования тока в микроволны, названное магнетроном.
Этот прибор настолько безопасен, что сегодня он есть у каждого дома в виде микроволновой печи с КПД 95%. Однако как преобразовать микроволны обратно в электричество? Были разработаны два подхода: американский и советский. В США в 60-х годах изобрели антенну, называемую ректенной, которая выполняла эту задачу. В 1975 году с помощью ректенны передали электрическую энергию на расстояние более одного километра. Казалось бы, метод найден, но ректенны не получили широкого применения из-за нестабильности полупроводников. В СССР вместо полупроводников использовали ламповые транзисторы, которые были более устойчивы к перегрузкам и радиации. В 70-х годах два учёных из МГУ создали циклотронный преобразователь энергии на основе ламповой технологии, который, хотя и имел КПД ниже, чем у американских аналогов, отличался высокой надёжностью и мощностью.
Передача энергии с помощью микроволн позволяет устанавливать приёмники на значительном удалении от передатчика, не требуя прямой видимости между устройствами. Однако с увеличением расстояния пропорционально растут себестоимость и размеры оборудования. Также микроволновое излучение большой мощности может нанести вред человеку и окружающей среде. Пятый метод передачи энергии – это использование лазера. Этот способ обеспечивает большую дальность передачи, но требует прямой видимости между передатчиком и приёмником. Уже созданы установки, использующие лазерный луч для питания. Лазерный луч, несущий энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток.
Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной сфере, успешно внедряется в гражданскую. До недавнего времени КПД лазеров составлял всего 10-20%, и до получателя доходило лишь несколько процентов исходной мощности. Но в 2000-х годах появились инфракрасные лазеры с КПД до 40-50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули, преобразующие до 70% энергии излучения в электричество. Эти разработки привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, питающегося от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки. В 2009 году был успешно проведён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500 Вт с помощью лазера.
Шестой метод передачи энергии – это использование электрического резонанса. Именно этим методом Никола Тесла демонстрировал свои впечатляющие опыты. В такой системе Земля служила электрическим проводником, в котором с помощью электрических колебательных систем можно было возбуждать стоячие волны.
Тесла пришел к этому выводу, наблюдая за электрическими возмущениями, распространявшимися по поверхности Земли после разрядов молний во время грозы. Он зафиксировал, что эти волны распространяются во всех направлениях земного шара и отражаются от самых отдалённых его частей, при этом их длина связана с размерами планеты. Тесла предположил, что создавая подобные электрические возмущения искусственным путём, можно передавать электрическую энергию по всему миру. Энергия передавалась через Землю и благодаря электрической проводимости воздушных слоёв становилась доступной в любой точке планеты.
Седьмой метод передачи электрической энергии – с помощью электропроводности Земли. Существует теория, что недра и океаны Земли можно использовать для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежи металлических руд и другие природные ресурсы могут применяться для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция в диэлектрических телах может возникать в крупных залежах кварцевого песка и других минералов. Никола Тесла предполагал, что в будущем технологии позволят использовать Землю, океанические воды и атмосферу для передачи электроэнергии. Что думаете?