Ученые из Университета ИТМО разработали прототип устройства для беспроводной передачи энергии, в основу которого легли диэлектрические диски-резонаторы. Эффективность технологии достигает 90%, при этом она состоятельна даже в случае изменения взаиморасположения источника и приемника.
/ Siez18 / Pixabay / PD
В 2009 году группа ученых из MIT показала, что возможно передавать энергию на расстояние до двух метров с эффективностью в 45%. Это было достигнуто путем взаимодействия двух медных катушек. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока, формирующему в ней магнитное поле. Магнитное поле, доходя до второй катушки (имеющей такую же резонансную частоту), создавало переменный ток, что зажигало лампочку в 60 Вт.
Основываясь на этой и нескольких других работах, команда ученых из Университета ИТМО начала разработку новой системы беспроводной передачи энергии. Медные катушки заменили на диэлектрические керамические резонаторы, в которых магнитное поле возбуждается с меньшими потерями энергии.
Первый прототип системы передавал 1 Вт мощности на расстояние 20–30 см при частоте 2 ГГц. В своей новой работе ученые провели некоторые усовершенствования. Например, были разработаны образцы керамики с большим значением диэлектрической проницаемости. У новых образцов значение этой характеристики равно 1 тыс., что в сто раз превышает показатели обычной керамики и в десять раз – показатели оригинального прототипа.
Этот материал позволил увеличить расстояние передачи энергии, а также перейти на рабочие частоты в сотни мегагерц. Ранее эффективность российского прототипа падала до 50% уже на расстоянии 2 см, теперь она достигает 90% на дистанции до 10 см и снижается только при 16 см. Подробнее о принципах работы системы можно почитать в опубликованном исследовании (ссылка).
«Мы смогли в пять раз увеличить расстояние, на которое можно передавать энергию [по сравнению с первым прототипом], и сделали систему более устойчивой к смещению и повороту резонаторов относительно друг друга. В будущем это даст больше свободы пользователю, — объясняет Полина Капитанова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. — Третье глобальное изменение коснулось дизайна резонаторов. Теперь это два диска. В отличие от ранее использованной нами сферической формы, плоская конфигурация практична и позволяет говорить о применении нашей технологии в более компактных приборах».
Система беспроводной передачи энергии / Университет ИТМО
Эти последние улучшения позволили разработке Университета ИТМО сравняться по эффективности с зарубежным аналогом — WiTricity. Однако при этом российский прототип более устойчив к изменению взаимной ориентации приемника и источника энергии. Согласно заявлениям ученых, при смещении дисков на расстояние 4–5 см передача энергии не прерывается. «Сигнал» остается стабильным даже при повороте одного диска на угол до 60 градусов.
Будущее проекта
Рынок беспроводной передачи энергии является одним из самых активно развивающихся. Ожидается, что в 2020 году его стоимость достигнет 11 млрд долларов при среднегодовом темпе роста (CAGR) в 23%. Сейчас исследователи прорабатывают различные варианты применения технологии, параллельно работая над уменьшением размеров резонаторов. Их диаметр в 8,5 см мешает использовать наработки в мобильных устройствах, поэтому пока ученые предлагают применять технологию в электромобилях.
«Подобные беспроводные системы могут пригодиться для подзарядки автомобилей, — рассказывает Полина Капитанова. — Резонаторы из микроволновой керамики способны работать на более высоких мощностях, чем если бы они были сделаны из металлов, которые по своей природе быстро нагреваются».
Еще один вариант применения технологии, который рассматривают разработчики, — это создание комбинированных систем. Одна часть системы (керамический диск) будет встраиваться в рабочую поверхность, например кухонный стол, а другая — в электрические приборы, скажем, электрочайник. Это позволит создавать многофункциональные поверхности, способные упростить обращение с техникой. В будущем ученые также планируют создать резонаторы, на работу которых не влияет их взаимное расположение.
P.S. О чем еще мы пишем в нашем блоге:
- «Новая эра Web»: Университет ИТМО начинает подготовку IT-специалистов в области нейротехнологий
- Как проектируют программы: от UML до автоматного подхода
- Ненаучная революция: как недостаток реальных исследований губит технологические проекты
Автор: Университет ИТМО
