Bezprzewodowy internet energii. Wyrzuci baterie do kosza

Dzisiejsze bezprzewodowe ładowanie kończy się zazwyczaj na baterii. Naukowcy chcą pójść znacznie dalej i stworzyć sieć, która dostarczy energię urządzeniu w takiej postaci, jakiej w danej chwili potrzebuje. Lampa mogłaby więc dostać światło bez pośredniego ładowania akumulatora, grzałka wytworzyć ciepło, a silnik rozpocząć ruch. Wszystkim miałaby zarządzać infrastruktura przypominająca internet, tyle że zamiast pakietów danych rozdzielałaby energię.

Bezprzewodowy przesył energii znamy już bardzo dobrze. Smartfony można od lat odkładać na podkładki indukcyjne, podobne rozwiązania trafiają do urządzeń medycznych, a coraz większe moce pozwalają myśleć również o samochodach.

W Niemczech zbudowano nawet testowy odcinek drogi, który może bezprzewodowo przekazywać energię elektrycznym samochodom podczas jazdy. Cewki znajdujące się pod nawierzchnią wytwarzają pole elektromagnetyczne odbierane przez wyposażony w odpowiedni układ pojazd.

W większości takich systemów schemat pozostaje jednak bardzo podobny. Energia jest przesyłana bez kabla, odbiornik przekształca ją w prąd, a ten następnie trafia do baterii lub superkondensatora. Dopiero później zgromadzona energia służy do zasilenia lampy, silnika czy grzałki. Badacze z Hong Kong Polytechnic University proponują usunięcie części tego łańcucha.

Opisali koncepcję wireless energy internet, czyli bezprzewodowego internetu energii. Jej podstawą ma być bezpośrednia konwersja przesyłanej energii na efekt, którego potrzebuje urządzenie.

Autorzy dzielą takie zastosowania na cztery główne grupy. Energia może ostatecznie przyjmować postać chemiczną, gdy służy do ładowania akumulatora, optyczną w przypadku światła, termiczną przy ogrzewaniu oraz mechaniczną, gdy ma napędzać silnik.

Różnica najlepiej widoczna jest właśnie przy ostatnich trzech przykładach. Zamiast bezprzewodowo naładować baterię lampy, a następnie pobrać z niej prąd potrzebny do świecenia, system miałby zasilać źródło światła bezpośrednio. Podobnie można potraktować element grzejny albo napęd.

Usunięcie pośredniego magazynu energii pozwala ograniczyć liczbę etapów przetwarzania, a więc również i część strat. Odbiornik może być przy tym lżejszy i prostszy, bo nie zawsze potrzebuje dużej baterii ani całej elektroniki odpowiadającej za jej ładowanie.

Będzie mieć to znaczenie zwłaszcza tam, gdzie wymiana albo serwis akumulatora jest trudny. Autorzy wskazują m.in. zamknięte silniki pracujące w wymagającym środowisku, roboty, urządzenia medyczne, systemy podwodne oraz przyszły sprzęt kosmiczny.

Słowo internet nie pojawia się tutaj w żadnym razie przypadkiem. Naukowcy nie proponują jednak przesyłania prądu przez Wi-Fi ani zamiany routerów stojących w mieszkaniach w nadajniki energetyczne.

Podobieństwo dotyczy przede wszystkim organizacji całego systemu. Dzisiejszy internet potrafi znaleźć urządzenie, przesłać do niego dane i dostosować sposób komunikacji. Sieć energetyczna przyszłości miałaby robić coś podobnego z energią.

Odbiornik mógłby zgłosić swoje wymagania, a infrastruktura rozpoznać urządzenie i odpowiednio zmienić moc, częstotliwość oraz rozkład pola. Ten sam system mógłby więc obsługiwać różnego rodzaju urządzenia zamiast działać wyłącznie z jednym konkretnym modelem ładowarki. Do tego potrzebna byłaby jednak komunikacja w obie strony. Urządzenia musiałyby wymieniać z siecią informacje o swoim stanie, zapotrzebowaniu i możliwościach, a nadajniki odpowiednio reagować. Takich wspólnych zasad na razie praktycznie nie ma.

Autorzy zwracają uwagę, że obecne normy powstają głównie dla konkretnych zastosowań. Standard może opisywać na przykład bezprzewodowe ładowanie samochodu, ale nie stanowi jeszcze uniwersalnego języka, którym porozumieją się lampa, robot przemysłowy, pojazd i urządzenie medyczne.

Przyszły internet energii potrzebowałby czegoś zbliżonego do protokołów znanych z sieci komputerowych. Urządzenia musiałyby potrafić się identyfikować, uzgadniać parametry zasilania, przesyłać informacje sterujące, zgłaszać błędy i bezpiecznie kończyć transfer.

Pojawia się również oczywiście problem cyberbezpieczeństwa. Przejęcie sieci przesyłającej dane jest groźne, ale manipulowanie systemem zdolnym do dostarczania dużych ilości energii otwiera zupełnie inną kategorię zagrożeń.

Naukowcy wskazują dlatego na potrzebę rozwijania energetycznego odpowiednika szyfrowania. Jednym z kierunków jest zabezpieczanie już samej fizycznej warstwy transmisji w taki sposób, by energię mógł skutecznie odebrać właściwy odbiornik.

Największym problemem pozostaje teraz przede wszystkim fizyka. Bezprzewodowe przekazywanie energii działa najlepiej na niewielkich odległościach, gdzie można wykorzystać sprzężenie magnetyczne lub elektryczne pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.

To właśnie rozwiązania bliskiego pola są obecnie najdojrzalsze. Potrafią osiągać wysoką sprawność i przekazywać znaczące moce, ale odbiornik musi znajdować się stosunkowo blisko nadajnika. Znacznie bardziej efektownie brzmi przesyłanie energii na duże odległości za pomocą mikrofal albo światła. Tu jednak rosną straty, pojawia się konieczność bardzo precyzyjnego kierowania wiązki oraz znacznie większe problemy związane z bezpieczeństwem.

Nie oznacza to więc świata, w którym elektrownia wysyła prąd przez powietrze bezpośrednio do każdego mieszkania. Znacznie bardziej prawdopodobny jest natomiast układ wielu lokalnych stref zasilania, dostosowanych do konkretnych urządzeń i zastosowań.

Ograniczenie liczby akumulatorów brzmi kusząco. Baterie są ciężkie, zajmują miejsce, starzeją się, a uszkodzone ogniwo może się przegrzać lub zapalić. Robot stale działający w obszarze bezprzewodowego zasilania mógłby korzystać z mniejszego magazynu energii albo w niektórych zastosowaniach całkowicie się bez niego obejść.

Nie oznacza to jednak jeszcze większego bezpieczeństwa. Silne pola elektromagnetyczne również trzeba kontrolować. Problemem jest zarówno długotrwała ekspozycja ludzi, jak i możliwość zakłócania pobliskiej elektroniki, szczególnie w szpitalach czy innych miejscach pełnych wrażliwej aparatury.

Do tego dochodzą sprawność, skalowanie mocy i koszt infrastruktury. Sami autorzy traktują te kwestie jako jedne z podstawowych barier stojących przed szerokim wdrożeniem technologii. Dlatego bezprzewodowy internet energii nie jest gotowym następcą sieci elektrycznej. To raczej próba ułożenia w jedną całość technologii, które dziś rozwijane są oddzielnie.

Przeczytaj także:

Jeżeli ten pomysł się przyjmie, to największą zmianą nie będzie nawet pozbycie się kolejnego kabla. Urządzenie nie będzie musiało najpierw dostać energii, schować jej do baterii, a później zdecydować, co z nią zrobić. Sieć od początku będzie wiedziała, czy potrzebne jest światło, ciepło, naładowanie ogniwa czy ruch.

*Źródło grafiki wprowadzającej: atlasstudio, Canva Pro / Canva Pro