Как тесла передавал электричество без проводов

Обновлено: 24.01.2025

Есть такая теория, что не так давно на нашей планете активно использовалась технология передачи электричества без проводов. Как правило, сторонники идеи сталкиваются с абсолютной критикой (как и все "альтернативщики") - но тут и на их улице возник неожиданный праздник. В Новой Зеландии между делом начали тесты системы беспроводной системы передачи электроэнергии.

Сложно недооценить эти эксперименты - сколько копий сломано и какое будущее открывается! И какое прошлое! Дело в том, что даже сейчас очень много примеров того, как электричество без проводов могло использоваться ранее. Скажем, сторонники этой идеи считают, что ещё в 19-м веке во всём мире использовались системы извлечения электричества из атмосферы.

Многим кажется бредом, но даже смысл многих строений становится понятным - соборы, башни и даже ростральные колонны получают практический смысл вместо банальных "для красоты" или религиозных причин. Если попробовать провести краткий экскурс на эту тему, то будет так: колокольни, башни, шпили и колонны - это всё антенны и генераторы, умеющие "собирать" электричество из атмосферы.

Кстати, слово "собор" здесь тоже получает очень интересный контекст. Его этимология понятна и возводится к словам собирать и собрание - так собственно и называли место, где кто-то собирался, вроде "земского собора" или даже "вселенского собора". Но это же название для храмов практически никак не объясняется. Наверное, предполагается, что это место сбора людей, хотя в общем-то любая церковь в этом смысле - место для сбора людей.

Понятно, к чему мы ведём. Соборами всегда называли самый большой храм на местности, а если речь шла о большом городе, то соборов могло быть несколько. Ключевое тут - самый большой, то есть и самый высокий. И тут стоит обратить внимание на то, что часто высота эта "добивается" строительством высокого шпиля - эдакой надстройкой, которая в контексте нашего разговора однозначно ассоциируется с антенной.

И сейчас вот кресты используются как антенны - верней, видимо, для установки антенн. Это Собор Александра Невского в Таллине, наши дни

Сейчас необходимость строительства шпилей объясняют "тягой к Богу", но ведь такие шпили на самом деле могут быть не только на религиозных зданиях. Их можно видеть на дворцах, театрах и т.п. - на многих крупных зданиях. Впрочем, одно прагматическое объяснение есть - шпили служили в качестве громоотвода (вернее - молниеотвода), оберегая таким образом само здание от удара молний и потенциального пожара.

Но ведь могли быть у разных шпилей разные цели: где-то молниеотвод, а где-то - сбор того же электричества, откуда и название "собор" по цели строительства здания. В конце концов, не такая уж большая разница - просто взять на себя энергию или взять её и как-то аккумулировать. Так что название "собор" вполне буквально может означать "тут собирают" - в данном случае электричество.

"Три пагоды" в Китае (Дали, Юньнань) - обратите внимание на то, что наверху в качестве шпиля. Пагоды, кстати, стоят по углам правильного треугольника

Надо понимать, что тема соборов и шпилей - не единственная, которая является частью "доказательной базы" этой теории. Вот для примера ещё пара моментов. Трамваи на конной тяге считаются предтечей электрических трамваев, но может быть и наоборот - электричество было, им пользовались, но потом как-то разом "разучились".

Об этом говорят многие фотографии - когда так называемые конки видны на фоне разрушенных зданий и непонятной разрухи. Если уж города были в таком состоянии, то вряд ли прокладка рельсов могла считать первоочередным делом для жителей. Впрочем, такие фото с разрушенным зданиями - отдельная тема. Просто поскольку информации довольно мало, можно предположить что угодно.

Поэтому уходить в жёсткую "альтернативщину" не будем, в итоге рассуждения ведут к одному - может быть, именно использование такого атмосферного электричества и стало причиной каких-то катаклизмов на всей земле? Но главное - что сама возможность передачи электричества таким образом отнюдь не фантастика.

В 1893 году знаменитый Никола Тесла на всемирной выставке в Чикаго продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Через год он продемонстрировал, как без всяких проводов зажигается фосфорная лампа.

Именно с именем Николы Тесла связана доступная нам самая ранняя информация о беспроводной передаче электричества. Если интересны подробности, стоит поискать историю а "Башне Ворденклифа", которую Никола Тесла строил как раз для демонстрации возможности такой передачи электричества - причём не только по воздуху, но и по земле.

Считается, что причиной того, что башню не достроили, стало решение одного из "спонсоров" этого проекта, Джона Моргана (того самого J.P.Morgan), который одновременно был акционером Ниагарской ГЭС. Он сделал выбор в пользу проводов и оплаты, а не в пользу беспроводной передачи электричества, которое в этом случае чисто технологически стало бы доступным для всех.

Впрочем, как видим, может быть и Никола Тесла просто заново открывал технологию, которая использовалась ранее. Так или иначе, но если дело и правда обстояло так, то данное событие - суть выбор пути, который без преувеличения повлиял на то, как наш мир устроен сейчас. И вот, получается, мы снова у того же распутья - ну почти.

Судя по публикациям, пока на "коммунизм" новозеландские спецы не замахиваются и говорят об очевидных затратах, которые, однако, по их убеждению, будут гораздо ниже, чем при нынешнем проводном способе передачи электричества.

Такая установка специального комплекса для приёма и передачи электричества по воздуху позволит обеспечить им самые труднодоступные районы

Акцент делается на том, что этот способ позволит обеспечить электрической энергией труднодоступные районы или же выступить "страховочным" способом на случае каких-то крупных аварий.

По всей видимости, от старых технологий эта не особо отличается - только мы же ничего о тех старых технологиях не знаем, кроме догадок по поводу предназначения тех же соборов и шпилей. Но вот описание того, что предлагает делать компания Emrod, о которой идёт речь: передача энергии производится с помощью антенн, а единственным условием работы системы является то, что эти антенны должны находиться в пределах прямой видимости.

В Лондоне, кстати, шпили церквей сдаются в аренду мобильным операторам, которые ставят там свои антенны - с такой высоты "покрывается" большая часть города

Другими словами, эта антенны должны находиться выше всех остальных строений - этому условию идеально подходят те самые соборы, которые исторически являлись самыми высокими строениями в городах, возможно, изначально преследуя ровно те же практические цели. Ближайший же технический и понятный нам аналог - вышки телебашен, которые со своей высоты "покрывают" всю округу.

Ровно для тех же целей сейчас используется большинство небоскрёбов - у всех у них на самом верху стоят те или иные передатчики, от радио и сотовых до навигационных. В случае с идеей новозеландцев от Emrod всё будет работать фактически так же, хотя без знаний физики тут осознать что-то сложно.

Ещё одна визуализация от Emrod - приёмник на столбе принимает электричество "из воздуха", а затем оно по проводам идёт "куда надо"

Если коротко, то электрическая энергия (предполагается, что это будут те же ГЭС, а также солнечные и ветровые электростанции - всё, что связано с экологически чистыми способами получения энергии) будет преобразовываться в микроволны, которые прямым потоком, в том числе через ретрансляторы, могут передаваться до конечной точки, где происходит обратное преобразование.

Прямой поток тут тоже вполне ключевое свойство, потому что на вопрос о том, будет ли такой поток мешать, скажем, птицам, был ответ, что поток будет "охранять" ещё и кольцо из лазерных лучей (хотя тогда уж скорей труба), которая отключит передачу при приближении тех же птиц или иных объектов.

Но это всё уже тонкости, сами же спецы из Emrod говорят о том, что микроволновые релейные сети открыли телефонную связь между Европой и Америкой в 1950-х годах, а в нашем веке уже "доросли" до спутниковой связи и Wi-Fi.

Также новый для нас способ передачи электричества разработчики сравнивают с работой обычной микроволновки - но, видимо, без риска зажарить всё окружающее. Иначе снова мысленно приходится задумываться о возможных причинах трагедии прошлого, которая отбросила цивилизацию назад или вообще стала причиной смены цивилизации на земле.

И ещё один пример от Emrod - приёмник на столбе является беспроводным, а дальше электричество уже распределяется уже по проводам

Впрочем, бояться смысла нет - как известно, прогресс не остановить. Особенно если в него вкладываются деньги - а весь это проект с беспроводной передачей электричества стал возможен благодаря тому, что в наработки Emrod вложилась новозеландская энергетическая компания Powerco.

Прототип приёмника и передающей станции уже прошёл тесты - правда, стояли они друг от друга всего в 40 метрах. Но впереди более масштабные тесты - ток мощностью до 2 кВт должен "пролететь" 30 километров от берега Новой Зеландии до острова Стьюарт. Если всё получится, останется только масштабировать технологию и строить новые высокие "соборы".

Сербско-американский физик и изобретатель Никола Тесла более ста лет назад представил технологию беспроводной передачи электроэнергии. Основой технологии был электрический резонансный трансформатор "Катушка Тесла". Технология была работоспособной даже при тех технических возможностях и доступных материалах. На демонстрациях трансформатор передавал энергию на несколько метров, зажигая лампы накаливания. И конечно мечты и стремления Николы Тесла выходили далеко за пределы этого прототипа. Он уже тогда представлял мир будущего, где человечество использует электрические машины во всех сферах жизнедеятельности, а электроэнергия для их работы передаётся без помощи проводов.

По заветам и технологиям Николы Тесла - беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния уже реальность

Индуктивная связь
Магнитно-резонансная индукция
Электростатическая индукция
Резонансная индуктивная связь
Передача микроволновой энергии
Передача мощности лазера

Первые четыре варианта применимы только для коротких дистанций, в то время как последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Но что до самой передачи больших объёмов электроэнергии на расстояния?

Технология Николы Тесла не исчезла, и никуда не пропала.

Emrod - "Нас в Emrod вдохновляет работа Николы Тесла и его мечта о беспроводной энергетической системе. Наша технология значительно отличается от Wardenclyffe Tower Теслы, мы приближаемся к реализации его концепции беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Более века назад Никола Тесла попытался воплотить в жизнь свое видение беспроводной передачи энергии, и х отя ему не удалось конкретно реализовать свое видение, он заложил идею, которая захватила воображение многих людей, в том числе и наше.

Нас часто спрашивают о разнице между технологиями беспроводной передачи энергии на большие расстояния (WPT) Emrod и Tesla. Наука и технологии, лежащие в основе этих двух систем, существенно различаются концептуально и технически. Emrod разработал однонаправленную систему WPT, передающую мощность от одной конкретной точки к другой. Тесла разрабатывал всенаправленную систему WPT, предназначенную для передачи энергии во всех направлениях через землю.

За столетие, последовавшее за экспериментами Теслы, было много прорывов, и теперь мы находимся в то время, когда коммерчески жизнеспособные приложения WPT с большим радиусом действия стали реальностью. В Emrod мы разработали эффективную систему WPT для передачи энергии на большие расстояния без проводов и с достаточной эффективностью, чтобы быть жизнеспособной альтернативой линиям электропередач в определенных случаях использования.

Хотя наша технология значительно отличается от того, над чем работал Тесла, мы вдохновлены его работой и разделяем его видение беспроводного будущего. Его изобретения легли в основу многих электронных технологий, которые изменили цивилизацию, включая технологию беспроводной связи. Он открыл умы людей для возможности создания систем беспроводной передачей энергии на большие расстояния. Теперь, более века спустя, это становится реальностью"

Совместный проект Emrod и Powerco должен показать свою эффективности, как технологической, так и с коммерческой точек зрения. В рамках проекта планируется передать энергию от солнечной электростанции на Северном острове клиентам, находящимся в нескольких километрах от неё. Электрическая мощность будет передаваться в виде узкого луча микроволн. Это устранит два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них заключался в том, как взимать с людей плату за электричество, которое они могут просто " черпать из воздуха ". Другой - необходимость преодолеть закон распространения излучения, который утверждает, что сила сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое он прошёл от передатчика. В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо излучения во всех направлениях помогает свести к минимуму эту проблему.

Технология энергетического излучения, которую использует Emrod, была опробована и раньше, но в основном для военных целей или для использования в космическом пространстве. В 1975 году НАСА использовало микроволновые излучатели для передачи 34 кВт электроэнергии на расстояние 1,6 км. И это всё ещё является рекордом по мощности и расстоянию передачи.

Но, как вы понимаете, тогда никто и не думал попробовать применить эту технологию в коммерческих целях. Представляете, сколько денег из-за неё потеряют только металлургические заводы, у которых пропадут заказы на сотни тысяч километров высоковольтных проводов.

Метаматериалы - это композиты, содержащие крошечные количества проводящих металлов и изолирующие пластмассы, расположенные таким образом, что они определенным образом взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны. Они уже используются в так называемых маскирующих устройствах, которые помогают военным кораблям и военным самолётам укрываться от радаров. Но их также можно использовать в приёмной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество. То есть тут мы имеем дело с фактически применением стелс-технологии в гражданских целях. И в этом, кстати, нет ничего удивительного. Ранее SpaceX фактически ввело в гражданский обиход технологию фазированной антенной решётки, которая стала основой приёмо-передающей антенны, входящей в комплект абонентского оборудования Starlink. Ранее эта технология, всего каких-то пять лет назад, применялась только военным.

Распространение мощных микроволн по воздуху сопряжено с риском. В конце концов, подобные волны - это средства, с помощью которых микроволновые печи нагревают то, что в них помещено.

Emrod говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить никакого вреда людям или животным, поскольку плотность мощности излучения относительно низкая. Тем не менее, чтобы избежать несчастных случаев, лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если "занавес" сдвигается из-за внешнего вмешательства, такого как птицы или низколетящие вертолёты (которые в Новой Зеландии используются для контроля отар овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно отключится. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.

Привет, Хабр! Я хочу рассказать тебе историю о давних временах. Был 1891 год. Малоизвестный тогда сербско-американский ученый по имени Никола Тесла разработал устройство, генерирующее и передающее электричество без проводов. Катушка Тесла была прототипом технологии его же авторства, эта катушка считалась Священным Граалем передачи энергии.

Сегодня революция в науке возродила необыкновенную идею Теслы, которая когда-то считалась несбыточной мечтой и перспективы невероятно привлекательны.

Катушка Тесла

Катушка Теслы — это электрический резонансный трансформатор. Радиочастотный генератор для получения высокого напряжения, при низких токах приводящий в действие трансформатор. Катушка работает по принципу электромагнитной индукции: проводник помещается в изменяющееся магнитное поле и генерирует напряжение на проводнике. Тесла устраивает демонстрации, показывающие, как можно использовать катушку для беспроводного питания ламп накаливания, расположенных на расстоянии нескольких метров друг от друга.

Даже по современным стандартам Тесла намного опередил свое время. Но его амбиции выходили за пределы прототипа катушки Тесла. Он представлял мир, в котором все человечество могло бы иметь дешевое или даже бесплатное электричество. Он раздвинул границы, когда воплотил в жизнь нечто более функциональное.

Башня Уорденклиффа

Башня Wardenclyffe Tower была экспериментальной беспроводной передающей станцией, построенной для телекоммуникации по всему миру.

Однако главной одержимостью Теслы была беспроводная передача энергии. Он получил финансирование на строительство башни, скрыв ее как телекоммуникационную. Он уже доказал, что высокочастотные сигналы могут передаваться без проводов, с помощью катушечных трансформаторов Тесла.

Дальнейшие секретные эксперименты в его лаборатории убедили его в том, что он может передавать электроэнергию, задействуя верхние слои атмосферы Земли. Башня Wardenclyffe была прототипом того, что Тесла представлял как сеть башен, охватывающую весь земной шар и получающую удаленный беспроводной доступ к энергии от центральной станции.

К сожалению, необузданные амбиции Теслы не увидели свет. Путь был перекрыт после того, как Джей-Пи Морган прекратил финансирование проекта, и Тесла обанкротился. Незавершенная башня была снесена в 1917 году для выполнения некоторых финансовых обязательств Теслы. До сих пор концепция беспроводного электроснабжения была погребена под обломками бюрократических, политических и финансовых ограничений.

Беспроводное электричество в наше время

С крушения надежд прошло более 100 лет. Сейчас на рынок выходит несколько компаний с технологиями, которые могут по воздуху безопасно передавать энергию. Emrod, поддерживаемый правительством Новой Зеландии стартап, лидирует в гонке с ожиданиями потребителей, первым в мире развертывая беспроводную передачу энергии высокой мощности на большое расстояние на замену существующих технологии медных проводов.

Для беспроводной передачи энергии на большие расстояния эта технология использует электромагнитные волны. Энергия преобразуется передающей антенной в электромагнитное излучение, улавливается приемной антенной (ректенной), а затем распределяется локально традиционными способами. Система Emrod состоит из четырех компонентов: источника питания, передающей антенны, передающего реле и приемная ректенны.

Схематическая модель теле-энергетической системы Emrod

Во-первых, передающая антенна преобразует электричество в микроволновую энергию и фокусирует электричество в цилиндрический луч. Микроволновый луч посылается через ряд трансляторов до тех пор, пока не попадает в ректенну, которая преобразует луч обратно в электрическую энергию. Просто, правда?

То же самое происходит в любой радиосистеме, но в радио количество энергии, которое достигает приемника, может быть крошечным; уловить нескольких пиковатт — это все, что нужно, чтобы доставить понятный сигнал.

Напротив, именно количество чистой, отправляемой без проводов энергии, наиболее важно. Полученная доля переданной энергии становится ключевым проектным параметром, поэтому необходимо разработать эффективные способы минимизации потерь.

Emrod нашел способ решить эту проблему. Мы переняли идеи радаров и оптики. В сравнении с предыдущими попытками беспроводного питания на основе микроволн, Emrod используют метаматериалы (в реле) для более плотной фокусировки передаваемого излучения.

Потери мощности при такой передаче сведены к минимуму. Генеральный директор Emrod рассказывает, что их система работает с 70% эффективности, что меньше эффективности медных проводов, но в некоторых случаях система все же экономически выгодна. В будущем компания планирует повысить энергоэффективность.

Примечательно, что технология надежна, так как на нее не влияют погодные или атмосферные условия, поэтому непредвиденные перебои с подачей электроэнергии останутся в прошлом.

Один из вопросов, вызывающих озабоченность, — это вопрос безопасности. Электромагнитный луч Emrod работает на частотах, классифицируемых как ISM — промышленные, научные и медицинские лучи, безвредные для здоровья человека.

Пока стартап стремится доставлять энергию в сообщества вне электрической сети, или передавать энергию из источников в открытом море.

Перспективы беспроводного электричества

Можно утверждать, что беспроводное электричество — одно из тех изобретений, которые не обязательны для нас. В конце концов, мы уже передаем электричество, и оно прекрасно работает. Но это далеко не так. Скрытые издержки традиционного способа передачи электроэнергии чрезвычайно высоки.

Прокладка линий электропередач и их техническое обслуживание обходится дорого, не говоря уже о географических ограничениях распространения электрических сетей в отдаленные районы. Корабли в море, электромобили или самолеты могут дозаправляться во время движения. Подход Emrod решил бы проблему дальности, особенно для предлагаемых коммерческих тарифов на электроэнергию.

Но, пожалуй, самой большой революцией будет всемирный переход на экологически чистый, дешевый возобновляемый источник энергии. Осознать масштаб можно с помощью двух фактов.

1. Удаленная передача солнечной энергии

Согласно глобальной статистике по энергии, общее потребление энергии в мире в 2019 году в эквиваленте составило 13 миллиардов тонн нефти (MTOE). Иными словами, это 17,3 тераватта мощности.

Сегодня, если мы покроем солнечными батареями участок земли в 350 км на 350 км, это может дать более 17,4 ТВт мощности. Упомянутая площадь составляет около 43000 квадратных миль. Великая Сахара — это около 3,6 миллионов квадратных миль и более чем 12 часов светового дня, а значит энергии.

Это означает, что 1,2% пустыни достаточно для покрытия мировых энергетических потребностей. И ни ядерный синтез, ни какой-либо другой разрабатываемый в настоящее время источник энергии чище не могут конкурировать с этим.

Что, если беспроводное электричество станет реальностью, мы используем небольшую часть Сахары, чтобы собрать солнечную энергию и передать ее по всему миру без необходимости в дорогостоящих медных проводных линиях? Не станет ли это серьезным прорывом в решении проблем энергетического кризиса, загрязнения окружающей среды и изменения климата?

2. Космическая солнечная энергия

Гигантские солнечные батареи, собирающие солнечную энергию в космосе и передающие ее обратно на Землю — это выглядит как сумасшедшая сцена из научно-фантастического фильма.

Концептуально разработанная российским ученым Константином Циолковским в 1920-х годах, идея космической солнечной энергетики осталась по большей части призрачной. Но все меняется. Несколько месяцев назад Европейское космическое агентство объявило о своем плане финансирования космической солнечной энергетики как средства решения проблемы изменения климата путем продвижения производства зеленой энергии.

Космическая солнечная энергетика будет использовать концепцию беспроводного электричества. План заключается в преобразовании электричества от солнечных батарей в энергетические волны и использовании электромагнитного поля для передачи ниже, к антенне на поверхности Земли. Затем антенна преобразует волны обратно в электричество.

Благодаря нескольким преимуществам КСЭ — привлекательное решение надвигающегося энергетического кризиса, которое позволит генерировать больше энергии:

В космосе всегда солнечный полдень. Земные солнечные батареи ограничены дневным светом и погодными условиями.
Солнечные батареи могут получать более интенсивный солнечный свет из-за отсутствия препятствий со стороны атмосферных газов, облаков, пыли и других погодных явлений. Атмосфера Земли обычно поглощает и отражает обратно часть солнечного света.
Спутник на солнечных батареях может освещаться круглосуточно и без выходных. В настоящее время солнечную энергию собирают на протяжение в среднем 29% дня.
Питание может быстро перенаправляться в те области, которые нуждаются в нем больше всего.

Беспроводное электричество: мечта Теслы и наша грядущая реальность

Используя огромный потенциал беспроводного электричества, наше поколение может обрести многое и ничего не потерять. В предстоящие годы мы можем лишь надеяться на то, что нынешние усилия, направленные на реализацию этого грандиозного подвига, дадут положительные результаты. К сожалению, Никола Теслы, великого изобретателя, нет с нами рядом, чтобы он мог увидеть воплощение своей мечты. Я рад поделиться одной из знаменитых цитат Теслы, прекрасным источником вдохновения для начинающих ученых во всем мире:

Передача электроэнергии без проводов, это способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.

В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

Активно изучалась беспроводная передача энергии и в начале 20го века, когда ученые уделяли большое внимание поиску различных путей беспроводной передачи энергии. Цель исследований была проста – генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было его приборами обнаружить на расстоянии. В то же время были предприняты попытки снабжения энергией на расстоянии не только высокочувствительных датчиков для регистрации напряжения, а и значительных потребителей энергии. Так, в 1904 году на выставке St. Louis World’s Fair был вручен приз за успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 м.

Прим: про Никола Тесла (Nikola Tesla) я не упомянул сознательно: написано много и многими.

Очень серьёзные работы и проекты велись в СССР в период 1930-1941 гг и параллельно в Drittes Reich. Естественно, в основном, военного назначения. Естественно, в основном, военного назначения: поражение живой силы противника, уничтожение военной и промышленной инфраструктуры и т.д.
В СССР велись так же серьёзные работы по использованию СВЧ излучения для предотвращения поверхностной коррозии металлических конструкций и изделий.
Но это отдельная история. Опять надо лезть на пыльный чердак.

Один из крупнейших российских физиков прошлого столетия, лауреат Нобелевской премии, академик Пётр Леонидович Капица посвятил часть своей творческой биографии исследованию перспектив использования СВЧ-колебаний и волн для создания новых и высокоэффективных систем передачи энергии. В 1962 году в предисловии к своей монографии он писал

"… я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но её будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики".

Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных в ХХ веке, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжала оставаться нереализованной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнили инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической сложностью реализации.
Но ситуация постепенно стала меняться к лучшему.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники William C.Brown впервые испытал устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки.

В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News свою модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя.

Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.

Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий 9. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м.

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier — MDA).

Ректенна – высокоэффективная приёмно-преобразующая система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к лавинообразным пробоям. Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему.

Передающая антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

С 1965 по 1975 гг. была успешно завершена научная программа, руководимая Bill Brown, продемонстрировавшая возможность передачи энергии мощностью 30 кВт на расстояние более 1 мили с эффективностью 84%.

В 1978–1979 годах в США под руководством Министерства энергетики (Department of Energy – DOE) и НАСА (NASA) была выполнена первая государственная научно-исследовательская программа, направленная на определение перспектив СКЭС.

В 1995–1997 годах НАСА вновь вернулось к обсуждению перспектив СКЭС, опираясь на прогресс технологий, достигнутый к тому времени.

Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.

Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.

Так появился WiTricity и WiTricity corporation.

В июне 2007 г. Marin Soljačić и еще несколько исследователей Массачусетского технологического института сообщили о разработке системы, в которой 60 Вт лампочка снабжалась от источника, располагавшегося на расстоянии 2 м, причем эффективность составила 40%.

Сходные технологии лихорадочно разрабатываются и другими фирмами: компания Intel демонстрировала свою технологию WREL с КПД передачи энергии до 75%. В 2009 году фирма Sony продемонстрировала работу телевизора без сетевого подключения. Настораживает только одно обстоятельство: независимо от способа передачи и технических ухищрений, плотность энергии и напряженность поля в помещениях должна быть достаточно высокой, чтоб питать устройства мощностью несколько десятков ватт. По признанию самих разработчиков, информации о биологическом воздействии на человека подобных систем пока нет. Учитывая недавнее появление, и разный подход к реализации устройств передачи энергии, подобные исследования еще только предстоят, а результаты появятся не скоро. А мы сможем судить об их негативном воздействии только косвенно. Что-то опять исчезнет из наших жилищ, как, например, тараканы.

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт — полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).

В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали PoWiFi (от Power Over WiFi).

На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.

Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии.

В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.

Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего уже по технологии PoWiMax или от радиолокатора самолёта носителя):

Ведь БРЛС ЛА в импульсе может выдавать под 17 кВт энергии ЭМИ.

Это не сотовая связь -где ячейка должна обеспечить связь конечным элементам на 360 градусов.
Допустим такая вариация:
Самолёт носитель ( для Perdix) это F-18 обладает (сейчас) БРЛС AN/APG-65:

максимальная средняя излучаемая мощность по 12000 Вт

или в перспективе будет иметь AN/APG-79 AESA:

в импульсе должен выдавать под 15 кВт энергии ЭМИ

Этого вполне достаточно, что бы продлить активную жизнь Perdix Micro-Drones с нынешних 20 минут до часа, а может и больше.

Возможно вскоре дело дойдет и до зарядки сотовых телефонов, и других мобильных устройств, которые находятся в зоне действия Wi-Fi, Wi-Max или 5G?

Послесловие: 10-20 лет, после широкого внедрения в повседневную жизнь многочисленных электромагнитных излучателей СВЧ (Мобильные телефоны, Микроволновые печи, Компьютеры,WiFi,Blu tools и т.д.) внезапно тараканы в больших городах вдруг превратились в раритет! Теперь таракан- насекомое, которое можно встретить разве что в зоопарке. Они неожиданно исчезли из домов, которые раньше так любили.

Кто следующий на очереди?

Прим: Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).

Читайте также: