Что общего между смартфоном, электромобилем и беспилотником? Все эти устройства работают на электроэнергии, и современные технологии не позволяют обеспечить им достаточно долгое время работы в автономном режиме. Учёные из Троицка предлагают оригинальное решение этой проблемы – не увеличивать ёмкость батареи, а сделать подзарядку более доступной с помощью преобразования длинных электромагнитных волн.
О том, как это сделать и какие ещё возможности даёт данная технология, рассказал Александр Тишин, вице-президент Магнитного общества РФ и генеральный директор инновационной компании ООО «ФМТ». Компания входит в Троицкий инновационный кластер, функционирующий при поддержке Центра инновационного развития и Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства Москвы.
Одна из основных проблем автономных устройств сегодня заключается в малой ёмкости их аккумуляторов. Их масса и стоимость, например, для электромобиля очень высоки, а заряда хватает в лучшем случае лишь на несколько сотен километров. «Это общая проблема. Скорость роста ёмкости источников питания в 3–4 раза отстаёт от скорости роста быстродействия компьютеров и другой электроники», – пояснил Тишин. И эта проблема пока не решается, несмотря на все серьезные вложения в научные разработки.
«Почему бы не сделать так, чтобы в любом публичном месте, где вы находитесь, будь то кафе или метро, ваш гаджет смог подзаряжаться?
Например, для электромобилей это может быть остановка на светофоре» – учёный уверен, что в будущем электромобиль сможет подключаться к сети, работающей на частоте порядка 100 кГц, и получать энергию.
Передача энергии – проблема не только для ее потребителей, но и для производителей. Один из ярких примеров – ветряки. Энергия ветра тем сильнее, чем дальше от поверхности земли находится ветряк, но удлинение провода приводит во-первых, к затратам на его создание и содержание, во-вторых, к потере энергии при её транспортировке.
Существует два метода беспроводной передачи энергии – с использованием ближнего поля, технология, которая уже существует и применяется, и дальнего поля. Ближнее поле по принципу действия аналогично работе трансформатора, сегодня такая технология применяется, например, в беспроводных зарядных устройствах для смартфонов. Её недостаток – в очень ограниченном радиусе действия, его возможно в будущем увеличить до 3–5 метров, но не более. А тот метод, который разрабатывают специалисты в Троицке, использует дальнее поле и позволяет передавать энергию на десятки километров. Кроме того, благодаря эффекту дифракции длинные волны способны огибать объекты, а это значит, что электроприбор не обязательно должен находиться в поле видимости источника питания.
Но для беспроводной передачи энергии необходимо сконструировать антенну, способную работать в диапазоне длинных волн. «Чтобы антенна излучала в резонансе, её длина должна быть в 2–4 раза меньше, чем длина волны той частоты, на которой она работает. То есть, если длина волны составляет несколько километров, то построить такую антенну практически невозможно», – объясняет разработчик.
Инновация, предложенная Тишиным и его коллегами, заключается в новом материале, который может использоваться как покрытия для антенн, позволяющее уменьшить их физические размеры.
«Это специальное многослойное покрытие для антенны с применением магнитных и диэлектрических компонентов, особым образом текстурированное», – осторожно объясняет автор свое ноу-хау, стараясь не раскрыть секрет.
Данной технологией уже заинтересовались в США, где живёт и работает коллега Тишина. «Очень не хочется, чтобы технология стала разрабатываться там, а здесь бы про неё забыли», – надеется учёный.
Сфера использования длинных волн не ограничивается беспроводной передачей электроэнергии. Помимо нее, длинные волны благодаря своим свойствам, могут использоваться для беспроводной связи на дальние расстояния (сверхдлинные волны уже сегодня используются для связи с подводными лодками), а также в геологоразведочных работах.
Сегодня для разведки недр в основном используются дорогие бурильные установки, но затраты можно сильно сократить, если вместо них применить своеобразный «рентген» для недр. «Все законы электромагнитных волн действуют для любого диапазона», – подчеркнул Тишин. Значит, аналогично оптическому микроскопу, который использует излучение видимого диапазона с длиной волны 380–740 нанометров, можно создать подобный прибор, который будет использовать более длинные волны.
«Если длина волны 100 км, то 1–3 км для такого прибора – это ближнее поле», – уверен Тишин. – «Поэтому фактически вы можете изучать то, что находится в земле с помощью такой длинноволновой антенны».
Применение длинных волн для передачи данных и энергии имеет немало преимуществ по сравнению с короткими волнами, которыми мы сейчас пользуемся. Длинные волны практически не поглощаются за счёт уменьшения скин-эффекта, присутствующего у всех предметов и вызывающего эффект затухания электромагнитных волн по мере проникновения вглубь проводящей среды. И они практически безвредны для организма. Всё это позволяет говорить о перспективности применения длинных волн.
Но помимо размеров принимающей и передающей антенны есть ещё одна проблема: с уменьшением частоты волн и, соответственно, с увеличением их длины, «сужается» пропускная способность каналов. «С передачей энергии лучше справляются длинные волны, но если задача – передать большой объём данных, высокие частоты предпочтительны, – пояснил Тишин, – и приходится искать баланс».
Технология разрабатывается группой компаний «ПМТ и К», в которую входит возглавляемая Тишиным «ФМТ». «ПМТ и К» является признанным лидером на рынках Южной Америки, РФ и Европы в сфере новых магнитных материалов и технологий.
Источник: «Наука и технологии России»