برق بی‌سیم یک رویای 100 ساله است که ممکن است در سال‌های آینده به واقعیت تبدیل شود. ظهور شارژ بی‌سیم، وسایل نقلیه الکتریکی و فناوری 5G نیاز به پایداری بیشتر برق دارند که منجر به فشار برای توسعه تکنولوژی انتقال برق بی‌سیم در نقاط مختلف جهان شده است.

شرکت‌های Wave Inc در آمریکا، شرکت ژاپنی Japan-based Space Power Technologies و شرکت energy startup Emrod در نیوزیلند تعدادی از شرکت‌هایی هستند که در حال حاضر بر روی تکنولوژی انتقال قدرت بی‌سیم کار می‌کنند. تست‌های میدانی نیز برای برخی از سیستم‌ها آغاز شده است و جالب خواهد بود که ببینیم چه کسی در این مسابقه برای اولین بار یک راه حل برق بی‌سیم کارآمد، اقتصادی و قابل اعتماد را ارائه می‌دهد.

 تاریخ و علم پشت انتقال قدرت بی‌سیم

قبل از اینکه ما به ابتکارات مختلف انقلابی در مورد برق بی‌سیم وارد شویم، مهم است که منشاء آن را درک کنیم و مفهوم پایه‌ای پشت این تکنولوژی که آن را انتخابی قابل اعتماد برای نیاز‌های برق آینده می‌سازد را بشناسیم.

در سال 1891، نیکولا تسلا، مخترع صربستانی-آمریکایی، کویل تسلا را طراحی کرد. یک دستگاه منحصر به فرد که براساس اصل رزونانس الکتریکی کار می‌کرد و قادر به انتقال برق بدون سیم بود. با این حال، کویل می‌توانست برق را به صورت بی‌سیم در طول فاصله‌های کوتاه جا به جا کند و به دلیل پتانسیل محدود آن، این امر به عنوان یک کاربرد عملی برای انتقال برق بی‌سیم مورد استفاده قرار نگرفت.

در سال‌های پس از آن، تسلا در ساخت یک ایستگاه انرژی کار می‌کرد که می‌توانست انتقال قدرت بی‌سیم ولتاژ بالا (WPT) را انجام می‌داد. از طریق این آزمایش، تسلا با هدف انتقال پیام‌های بی‌سیم در فواصل طولانی، با استفاده از یک سری از برج‌های موقعیت‌های استراتژیک یا یک سیستم بالن‌های معلق، انتقال پیام‌ها را به صورت بی‌سیم انتقال داد.

او یک ایستگاه انتقال بی‌سیم را در لانگ آیلند ساخت (به نام Tesla یا برج نگهدارنده) و معتقد بود که می‌تواند نشان دهد انتقال برق بی‌سیم دراز مدت امکان پذیر است. متأسفانه، سرمایه گذار J.P. مورگان حاضر به ارائه بودجه‌های بیشتری برای آزمایش‌های او نشد و این پروژه در سال 1906 تعطیل و بعد از آن تخریب شد.

نیکولا تسلا در سال 1943 با رویای برق بی‌سیم ناتمام خود خداحافظی کرد، اما در 100 سال گذشته، تعدادی از آزمایشات و مطالعات ثابت کرده است که این مخترع نابغه ممکن است در مسیر درست در رویکرد خود برای انتقال برق بی‌سیم قرار داشته باشد.

امروزه روش‌های مختلف انتقال قدرت بی‌سیم در حال توسعه است و تحقیقات در حال اجرای این موارد در مقیاس بزرگ شامل موارد زیر است:

 انتقال ماهواره خورشیدی

این یک روش امیدوار کننده است که شامل استفاده از ماهواره‌های خورشیدی در مدار زمین است. ماهواره، نور خورشید را به انرژی تبدیل می‌کند؛ این انرژی از امواج مایکروویو تشکیل شده است. این سیگنال‌های مایکروویو به یک آنتن روی زمین یا به یک ایستگاه شبکه اصلی منتقل می‌شوند. از آنجا، سیگنال‌ها به یک ایستگاه پایه شبکه منتقل می‌شوند که امواج را به برق DC تبدیل می‌کند. در ایستگاه گرید، برق نیز به بسته‌های انرژی تبدیل می‌شود که شبیه به بسته‌های داده‌های اینترنتی که به خانه منتقل می‌شود و در یک گیرنده انرژی ذخیره می‌شوند.

به تازگی، Caltech اعلام کرده است که دونالد برن که صاحب شرکت سرمایه گذاری املاک و مستغلات یک شرکت است حدود 100 میلیون دلار برای پروژه انرژی خورشیدی Caltech (SSPP) اهدا خواهد کرد. این پروژه بلندپروازانه با هدف ایجاد یک شبکه انرژی بی‌سیم مبتنی بر ماهواره و مایکروویو است که می‌تواند به طور مداوم قدرت را در هر نقطه از زمین عرضه کند.

 انتقال قدرت مایکروویو

در این روش، تابش امواج مایکروویو با کمک گیرنده مایکروویو و یکسو کننده DC به توان الکتریکی DC تبدیل می‌شود. بالاترین بازدهی که با انتقال توان مایکروویو به دست آمد 84 درصد بود که در سال 1975 توسط تیمی در ژاپن ثبت شد، اما سیستم‌هایی با توان خروجی بالاتر کارایی کمتری داشتند. هدف بعدی دستیابی به انتقال انرژی با بازده بالا در مسافت‌های طولانی خواهد بود.

تحقیقی که در آگوست 2021 در دانشگاه تسوکوبای ژاپن منتشر شد، نشان می‌دهد که تشعشعات مایکروویو با انرژی بالا می‌تواند به عنوان منبع بی‌سیم قدرت کارآمد برای پرتاب موشک به فضا عمل کند. هنگامی که یک موشک به فضا ارسال می‌شود، سوخت حدود 90 درصد وزن آن را تشکیل می‌دهد و این بار را می‌توان با استفاده از این فناوری انرژی بی‌سیم مبتنی بر مایکروویو از بین برد.

 انتقال لیزری

کارآمدترین مبدل‌های DC به لیزر دیود‌های لیزری حالت جامد هستند، مانند دیود‌های لیزری حالت جامد مانند آن‌هایی که در ارتباطات فیبر نوری و لیزر فضای آزاد استفاده می‌شوند. انتقال لیزری به گیرنده فتوولتائیک اجازه می‌دهد تا پرتو‌های لیزر را دریافت کرده و از همان منبع برق تولید کند. شایستگی انتقال قدرت مبتنی بر لیزر این است که پرتو‌های لیزر را می‌توان برای انتقال برق بی‌سیم دوربرد راحت‌تر کنترل کرد.

 برق بی‌سیم دیگر برای نیوزیلند رویا نیست

استارتاپ انرژی Emrod به زودی نمونه اولیه راه‌اندازی زیرساخت انرژی بی‌سیم را در نیوزلند آزمایش می‌کند. در صورت موفقیت آمیز بودن این آزمایش، این پروژه می‌تواند فشار بزرگی برای برنامه‌های دولت نیوزیلند به منظور ایجاد انتقال انرژی بی‌سیم در سراسر این کشور باشد.

شرکت Emrod یک فناوری انرژی بی‌سیم منحصر به فرد را طراحی کرده است که از شبکه بی‌سیم آنتن‌ها (آنتن‌های اصلاح‌کننده) استفاده می‌کند و انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیسی دور برد از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل می‌کند. در ابتدا، الکتریسیته از طریق آنتن‌ها به شکل یک پرتوی غیر یونیزه و دارای فرکانسی معادل امواج رادیویی هدایت می‌شود.

این شرکت ادعا می‌کند که این فناوری برای مناطق کوهستانی نیوزیلند مناسب است و می‌تواند شرایط مختلف آب و هوایی منطقه را تحمل کند. فناوری انتقال برق بی‌سیم مبتنی بر رکتن نیز برای مناطقی که به دلیل محدودیت‌های مالی یا جغرافیایی نمی‌توان شبکه‌های برق سنتی را نصب کرد، یک مزیت محسوب می‌شود.

گرگ کوشنیر، مدیرعامل Emrod از دولت نیوزیلند پشتیبانی و پیش بینی می‌کند که مردم با برق بی‌سیم همانطور که نسبت به فناوری 5G شک دارند، مخالفت می‌کنند. او معتقد است که چالش واقعی مربوط به این پروژه این است که به مردم اطمینان دهیم که برق بی‌سیم امرود به هیچ گونه تشعشع مضر منجر نمی‌شود. این شرکت همچنین یک دفتر در بوستون دارد و احتمال زیادی وجود دارد که پروژه برق بی‌سیم بعدی این شرکت در ایالات متحده انجام شود.

 برخی دیگر از ابتکارات پیشگامانه برای انتقال قدرت بی‌سیم

دهه جدید تقاضای قرن 21 برای راه‌حل‌های انرژی پاک و بی‌حد و حصر را افزایش داده است. برق بی‌سیم که به عنوان یک جایگزین عالی برای منابع برق سنتی است می‌تواند انقلابی در بخش انرژی پاک ایجاد کند. این نیز دلیل آن است که بسیاری از پیشرفت‌های جالب در بخش WPT رخ می‌دهد.

شرکت Wireless Advanced Vehicle Electrification (WAVE)، یک شرکت فناوری آمریکایی است که راه حل‌های انرژی بی‌سیم را برای خودرو‌های برقی متوسط ​​و پرقدرت تولید می‌کند. سیستم‌های شارژ ارائه شده توسط Wave می‌توانند در زیر زمین، در زیر جاده‌ها یا در محل پارکینگ نصب شوند و توانایی انتقال برق بی‌سیم را تا 1 مگاوات دارد. گزارشات اخیر نشان می‌دهد که کامیون برقی آینده تسلا Semi ممکن است از فناوری شارژ بی‌سیم القایی Wave برای برآوردن نیاز‌های برق خود استفاده کند.

شرکت Beyond Earth یک موسسه تحقیقاتی غیر انتفاعی است که چشم انداز ایجاد سیستم انتقال قدرت ماهواره‌ای خورشیدی کاملاً کاربردی را ارائه کرده است. این موسسه ادعا می‌کند که سیستم بی‌سیم پیشنهادی می‌تواند به کاربرد‌های صنعتی روی زمین و همچنین به پروژه انسان در ماه کمک کند.

سیستم انرژی پیشنهادی دارای دو واحد اصلی خواهد بود. یک ماهواره خورشیدی فضایی که انرژی را از خورشید دریافت می‌کند و از طریق فتوولتائیک، متمرکز کننده‌ها و واحد‌های فرعی WPT و یک گیرنده مستطیلی که برحسب نیاز انرژی را به زمین یا ماه منتقل می‌کند، دریافت می‌کند. این موسسه توصیه می‌کند سیستم برق بی‌سیم مبتنی بر ماهواره خورشیدی تا سال 2030 تکمیل شود.

گروه حمل و نقل ایندیانا (INDOT) با دانشگاه پردو و شرکت سیمانی آلمان Magment دست به دست هم داده اند تا جاده‌های سیمانی مغناطیسی را که می‌توانند خودرو‌های برقی را هنگام حرکت در آن‌ها شارژ کنند، آزمایش می‌کنند. در مرحله اول، پردو آزمایشات آزمایشگاهی را برای تأیید پایداری جاده‌های مغناطیسی پیشنهادی انجام می‌دهد. پس از تأیید دانشگاه، یک بزرگراه آزمایشی با ارتفاع 400 متر با استفاده از سیمان مغناطیسی Magment ساخته می‌شود و سپس آزمایشات جاده‌ای با کامیون‌های 200 کیلوواتی انجام می‌شود. در صورت موفقیت آمیز بودن آزمایش‌ها، دولت از فناوری بیشتر برای توسعه معابر عمومی استفاده خواهد کرد. این پروژه شارژ بی‌سیم زمینی بخشی از طرح ASPIRE (پیشرفت پایداری از طریق زیرساخت‌های برق برای برق رسانی به جاده) است که توسط بنیاد ملی علوم و بسیاری از موسسات دولتی و خصوصی دیگر پشتیبانی می‌شود.

شرکت WiTricity، یک شرکت مستقر در ایالات متحده، روی فناوری پارک و شارژ کار می‌کند که هدف آن شارژ وسایل نقلیه برقی از طریق تشدید کننده‌های مغناطیسی در حین پارک خودرو‌ها است. در کنار IoT و AI، انتقال قدرت بی‌سیم نیز یک پیشرفت تکنولوژیکی اجتناب ناپذیر است که بشریت در سطوح کاملاً جدیدی در سال‌های آینده آن را تجربه خواهد کرد.