اگر نخواهید گوشی خودتان را به برق وصل کنید، میتوانید تلفن خود را روی یک پدِ شارژ قرار داده و شارژ کنید. در آینده حتی ممکن است لازم نباشد گوشی را روی زمین بگذارید. با همه این اوصاف، چالش اصلی شارژ از راه دورِ بیسیم مشکل بودن انتقال به مقدار کافی انرژی از امواج الکترومغناطیسی به باتری است. اکنون پژوهشگران مفهوم جدیدی را به اثبات رساندهاند که این مشکل را حل میکند که راهحل آنان مزایای بیشتری نسبت به روشهای قبلی دارد. انتخاب دقیق امواج الکترومغناطیسی که از مدار باتری فرستاده شده و با میدانهای مغناطیسی گیرنده در آنتن تداخل کند، روشی است که راندمان انتقال را بهبود بخشیده و میتواند به شارژ بیسیم از راه دور عملیتری منجر شود.

انتقال توان به شکل بیسیم در طول فواصل بیشتر از چند سانتیمتر در الکترونیک تلفن، وسایل نقلیهی الکتریکی و ایمپلنتهای پزشکی مفید خواهد بود. در این خصوص چند سیستم آزمایشگاهی به اثبات رسیده [1] اما هنوز انتقال توان از امواج با فرکانس رادیویی از یک آنتن به درون یک مدار الکتریکی به شکل مداوم و کارآمد، کاری دشوار است. این سیستم را میتوان چنان آرایش داد تا در یک ترکیببندی، توان ارسالی به مدار بیشینه شود، اما به محض آنکه فردی بین انتقالدهنده و قطعهی گیرندهی توان راه برود یا قطعه حرکت کند، توان رسیده به شدت کاهش مییابد.

مسئله این است که آنتن به سادگی تابش را جذب نمیکند؛ آنتن مقداری از تابش فرودی را به محیط پیرامونی خود ارسال میکند. یک ثابت جفتشدگی (یک عدد) مرتبط با هریک از این فرآیندها وجود دارد؛ تابش به محیط پیرامونی و انتقال به مدار متصل (بار). وقتی این ثابت جفتشدگیها برابر باشند میتوان نتیجه گرفت که انتقال انرژی به مدار بیشینه است. اما اگر آنتن در نزدیکی شیای حرکت کند که تابش را بازتاب میکند، ثابت جفتشدگی برای تابش تغییر پیدا کرده و سیستم از حالت تعادل خارج خواهد شد.

پژوهشگران برای مواجه با چنان مسائلی عناصر مداری قابلتنظیمی (همچون خازنها یا القاگرها) را اضافه میکنند تا تعادل را بازگردانند. اما تغییر بار به گفتهی آندره آلو (Andrea Alù) از دانشگاه تگزاس در آستین و دانشگاه شهر نیویورک: «پیچیده و ناکارآمد است و اگر تغییرات شدید باشد کارآرایی خود را از دست میدهد».

آلو و همکارانش راهحل جدیدی را یافتهاند. این روش شامل ارسال یک سیگنال با فاز و دامنهی ویژه از بار به آنتن است. این سیگنال کمکی میتواند چنان تنظیم شود که انتقال موج به بار را از طریق تداخل موج بهبود بخشد که به شکل موثر عدمتعادل را در ثابتهای جفتشدگی بدون هیچ نیازی به تغییر بار جبران کند. به بیان آلو، فاز و دامنهی سیگنال کمکی را میتوان با حلقهی بازخورد که خودش را اتوماتیک با تغییر محیط پیرامونی تنظیم میکند، انتخاب کرد.

این تیم برای اثبات این موضوع از یک مبدل سیگنال برای تولید و تحویل توان میکروموج از آنتن انتقالدهنده به یک آنتن گیرنده به فاصلهی ۴۰ سانتیمتر از آن استفاده کردهاند. یک کابل هممحور آنتن را به بار وصل کرده است. محققان نشان دادند که حتی با عدم تطابق بزرگ در ثابت جفتشدگی طرح آنان قادر است بیشینه توان را انتقال دهد.

به گفتهی شانهای فن ( Shanhui Fan) از دانشگاه کالیفرنیا که این کار را «مبتکرانه» خوانده است: «این کار مفاهیم فیزیک کاربردی را برای بهبود انتقال توان بیسیم نشانه رفته است».

با این وجود موریس کسلر (Morris Kesler) افسر ارشد فنی ویتریسیتی (شرکتی که به اقتصادی کردن انتقال توان بیسیم میپردازد) میگوید که مزایای این رهیافت هنوز به اثبات نرسیده است. اگرچه به گمان وی این کار جدید ارزش پیگیری دارد، «رهیافتهای دیگری برای تنظیم این عدم تطابق در طرف قطعه وجود دارد تا راندمان بهتری حاصل شود یا توان گرفته شده افزایش یابد و من هنوز متقاعد نشدهام که تلاش برای پیاده سازی این موضوع ارزشمند باشد». بویژه کسلر نگران است که در این آزمایشها یک توان سیگنالی کمکی به اندازهی ۱۰۰ میلیوات برای دریافت ۱۰۵ وات به شکل بیسیم نیاز است».

به گفتهی آلو: «در مورد مواردی در آن عدم تطابق زیادی دیده میشود، همچون آزمایش ما، لازم است تا یک توان حامل سیگنال بزرگتری نسبت به توان دریافتی خالص منتقل شود. اما این برای تنظیمات کوچک (که میتواند سناریوی غالب باش) مناسب نیست ». علاوه بر آن وی میگوید: توان سیگنال کمکی به هدر نمیرود بلکه از آنتن به توان دریافت کننده مدار بازمیگردد».

این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

دربارهی نویسنده:

فیلیپ بال نویسندهی علمی آزاد در لندن است؛ کتاب اخیر او فراتر از عجایب است که به بررسی مکانیک کوانتومی میپردازد.

مرجع:

1. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances,” Science 317, 83 (2007).

منبع:

Wave Trick May Lead to Wireless Charging at a Distance