انتقال بی‌سیم برق؛ رویای دیرینِ در حال تحقق

رویای دیرینه انتقال بی‌سیم برق در ابعاد گسترده و در فواصل دور در حال محقق شدن است و حتی در حوزه شارژ بی‌سیم خودروهای برقی چند پروژه آزمایشی برای شارژ بی‌سیم خودکار خودروها در هنگام حرکت در جاده یا هنگامی‌که پارک هستند، در حال آزمایش هستند و به احتمال بسیار زیاد نتیجه‌بخش هم خواهند شد.

برق بی‌سیم رویایی صدساله است که می‌تواند در سال‌های آتی محقق شود. پیدایش فناوری شارژ بی‌سیم، خودروهای برقی و اینترنت 5G و نیاز به انرژی پایدارتر، باعث شده فناوری انتقال برق به‌صورت بی‌سیم در سراسر جهان، سرعت بیشتری بگیرد.

شرکت‌های زیادی در حال فعالیت در این حوزه هستند که از میان آن‌ها می‌توان به شرکت آمریکا ویو (America's Wave Inc) و شرکت ژاپنی اسپیس پاور تکنولوجیس (Space Power Technologies) و یک استارتاپ فعال در حوزه انرژی در نیوزلند با نام امرود (Emrod) اشاره کرد. در حال حاضر شرکت‌های بسیار زیادی در حال کار کردن روی پروژه فناوری انتقال برق هستند.

به لطف انجام آزمایش‌های میدانی تا کنون چند سیستم برای این هدف طراحی و ایجاد شده‌اند؛ اما باید ببینیم کدام یک از این شرکت‌ها می‌توانند از سایر شرکت‌های مشابه پیشی بگیرند و برای نخستین بار سیستمی کارآمد، مقرون‌به‌صرفه و اقتصادی با قابلیت عرضه به‌صورت تجاری و قابلیت رشد و توسعه ایجاد کنند،

تاریخچه انتقال بی سیم برق

اجازه دهید قبل از بررسی روش‌های و فناوری‌های مبتکرانه‌ای که با هدف انتقال برق به‌صورت کامل بی‌سیم و شده‌اند، ببینیم نقطه آغاز شکل‌گیری این ایده به چه زمانی بازمی‌گردد و ببینیم این ایده مفهومی چه قابلیت‌های بالقوه‌ای دارد که نظر پژوهشگران را به خود جلب کرده و به نظر می‌رسد روشی قابل‌اعتماد برای انتقال برق در سال‌های آتی است.

 در سال ۱۸۹۱ دانشمندی آمریکایی- صربستانی به نام نیکولا تسلا سیستمی منحصربه‌فرد تحت عنوان سیم‌پیچ تصلا را طراحی کد. این دستگاه خاص روی اصول نوع خاصی از مدار تشدیدی کار می‌کرد که از قابلیت انتقال بی‌سیم برق برخوردار بود؛ البته این سیستم سیم‌پیچ تنها می‌توانست برق را در مسافت کوتاهی به‌صورت بی‌سیم سیم انتقال دهد؛ بنابراین به دلیل محدودیتی که داشت نتوانست نظر افراد را به خود جلب کند و به سیستمی کارآمد برای انتقال برق بدون سیم تبدیل شود.

 اما تسلا ناامید نشد و همچنان رویای انتقال بی‌سیم برق را در سر می‌پروراند؛ بنابراین چند سال بعد تلاش کرد روی ساختمانی که آن را ساخته بود به‌عنوان منبع انرژی کار کند که بتواند برق ولتاژ بالا را به‌صورت بی‌سیم منتقل کند. هدف او در آزمایش خود انتقال بی‌سیم پیام‌ها به فواصل دور، با استفاده از یک سری برج ایجادشده در موقعیت‌های مکانی استراتژیک و یا سیستمی از بالن‌های معلق بود.

او یک سیستم انتقال بی‌سیم برق در جزیره لانگ تحت عنوان برج تسلا یا برج واردنکلیف (Tesla or Wardenclyffe Tower ایجاد کرد و معتقد بود با استفاده از این سیستم می‌تواند برق را در مسافت طولانی به‌صورت بی‌سیم انتقال دهد؛ اما متأسفانه سرمایه‌گذار آزمایش‌های او یعنی جی‌پی مورگان، حاضر به صرف هزینه بیشتر در این پروژه نشد؛ بنابراین پروژه متوقف و ساختمان ساخته شده در سال ۱۹۰۶ تخریب شد.

نیکولا تسلا در سال ۱۹۴۳ درگذشت و رویای انتقال بی‌سیم برق او محقق نشد؛ اما خوشبختانه در صد سال گذشته پژوهش‌ها و مطالعات زیادی برای اثبات صحت ادعای این دانشمند بزرگ برای امکان‌پذیر کردن استفاده از زمین به‌جای سیم به‌عنوان یک مدیوم برای انتقال بی‌سیم برق، انجام شده است.

امروزه روش‌های مختلفی برای انتقال بی‌سیم برق ایجاد شده و پژوهش‌های این حوزه در حال ورود به فازهای اجرایی گسترده هستند.

انتقال برق با استفاده از ماهواره خورشیدی

در این روش که یکی از شیوه‌های شدنی و وعده‌داده‌شده برای انتقال بی‌سیم برق محسوب می‌شود، ماهواره‌های خورشیدی که در مدار زمین قرار دارد، استفاده می‌شود. این ماهواره‌ها پس از دریافت نور خورشید آن را به‌نوعی انرژی تبدیل می‌کند که متشکل از  ریز امواج‌ها است.

سپس این ریزامواج‌ها به آنتنی در زمین یا مستقیماً به خود شبکه برق‌رسانی متصل می‌شوند. در مرحله بعدی امواج دریافت‌شده به شبکه برق‌رسانی مرکزی منتقل می‌شود و در آنجا به برق DC تبدیل و درنهایت الکتریسیته تولیدشده به بسته‌های انرژی تبدیل می‌شود که می‌توان آن‌ها را به‌راحتی به منازل منتقل و در یک منبع ذخیره‌سازی انرژی ذخیره کرد.

طبق اطلاعات منتشرشده در سایتی به نام کال یکی از اعضای هیئت‌مدیره این سایت به نام دونالد برن (Donald Bren) صاحب شرکت سرمایه‌گذاری املاک و مستغلات شرکت ایرواین (Irvine Company) قصد دارد در آینده ۱۰۰ میلیون دلار در پروژه Space Solar Power Project کالتک (Caltech’s Space Solar Power Project) یا SSPP سرمایه‌گذاری کند.

هدف از ایجاد این پروژه بلندپروازانه، ایجاد سیستمی متشکل از ماهواره خورشیدی و سیستم دریافت‌کننده ریزامواج‌ها و تبدیل آن‌ها به انرژی الکتریکی است که بتواند نیروی برق موردنیاز هر نقطه از سیاره زمین را همیشه مرتب تأمین کند.

انتقال برق با استفاده از ریزامواج‌ها

در این روش زیزامواج‌ها در هنگام تابش با استفاده از یک دستگاه دریافت ریزامواج‌ها و یک یکسوساز DC (دستگاهی که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند) به جریان برق قابل استفاده تبدیل می شوند.

بیشترین راندمان تولید برق با استفاده از ریزامواج‌ها ۸۴ درصد ثبت شده است. این رکورد در سال ۱۹۷۵ توسط گروهی ژاپنی ثبت شده است؛ هرچقدر خروجی نیروی سیستمی بیشتر باشد، کارآمدی سیستم کمتر می‌شود.

هدف بعدی ایجاد سیستمی برای انتقال بی‌سیم برق به مسافت‌های دور است. در پژوهشی در دانشگاه تسوکوبا (University of Tsukuba) که نتایج آن در ماه اوت سال میلادی جاری منتشر شد، ژاپن از سیستمی برای تابش ریزامواج‌ها با انرژی بالا رونمایی کرد که می‌تواند به‌عنوان یک منبع برق بی‌سیم کارآمد و قابل‌اعتماد برای پرتاب موشک به فضا نیز مورداستفاده قرار گیرد.

 ۹۰ درصد وزن موشک‌های پرتاب‌شده به فضا، وزن مخزن سوخت آن‌ها است که می‌توان با بهره‌مندی از فناوری انتقال برق بی‌سیم بر پایه استفاده از انرژی ریز امواج، مخزن سوخت را از موشک‌ها حذف کرد که در تحول بزرگی در ساخت آن‌ها محسوب می‌شود.

انتقال بی‌سیم برق با لیزر

تحقیقات نشان داده است که دیودهای لیزر حالت جامد که درست مانند دیودهای مورداستفاده در فیبرهای نوری و ارتباطات لیزری در فضای آزاد عمل می‌کنند، کارآمدترین مبدل‌های  جریان مستقیم برق DC به لیزر هستند. در سیستم انتقال برق با استفاده از لیزر، یک گیرنده فتوولتاییک برای دریافت اشعه‌های لیزر و تولید برق با استفاده از این اشعه به کار گرفته می‌شود. یکی از مزایای بسیار خوب تولید برق با لیزر و انتقال بی‌سیم آن، امکان کنترل راحت‌تر اشعه‌های لیزر در هنگام انتقال برق به مسافت‌های دور است.

تحقق رویای انتقال بی‌سیم برق در نیوزلند

استارتاپ انرژی امرود، به‌زودی نمونه اولیه زیرساخت مورداستفاده برای سیستم انتقال بی‌سیم برق در نیوزلند را به‌زودی آزمایش خواهد کرد. امرود در این سیستم یک فناوری انتقال انرژی از راه دور را طراحی کرده که در آن از شبکه بی‌سیمی از آنتن‌ها و یکسوسازهای برق (یکسوسازی آنتنی) به‌منظور انتقال انرژی به شکل امواج الکترومغناطیسی از یک نقطه‌ به ‌نقطه دیگر استفاده می‌‌شود. در این روش الکتریسیته با استفاده از آنتن‌ها به شکل اشعه‌های غیریونی با فرکانسی برابر با فرکانس امواج رادیویی، منتقل می‌شود.

طبق گفته مسئولان شرکت، اطمینان از امنیت بالای لیزر کم انرژی، پژوهشگران را کاملاً مطمئن کرده که اشعه‌های لیزر قبل از برخورد با اشیا یا پرندگان در حال پرواز بین می‌روند و خاموش می‌شود؛ بنابراین می‌توان با اطمینان گفت که اشعه‌های لیزر به‌جز هوا با هیچ شی یا پرنده دیگری تماس پیدا نمی‌کنند.

در ضمن مسئولان امرود مدعی هستند که این فناوری برای انتقال بی‌سیم برق در نیوزلند که کشوری کوهستانی محسوب می‌شود، روش بسیار مناسبی است و می‌تواند در برابر شرایط اقلیمی متفاوت نقاط مختلف زمین، مقاوم باشد . این فناوری برپایه یکسوسازی و تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ایجاد شده است. این فناوری برای برق‌رسانی به مناطقی که ایجاد شبکه برق‌رسانی در آن‌ها به دلیل شرایط مالی یا شرایط جغرافیایی امکان‌پذیر نیست، نیز می‌تواند بسیار سودمند باشد.

با وجود اینکه دولت نیوزلند هم از پروژه انتقال برق بی‌سیم شرکت امرود حمایت کرده، گرگ کوشنیر (Greg Kushnir)، مدیرعامل این استارتاپ پیش‌بینی کرده احتمالا در آینده مردم همان‌طور که در مورد فناوری 5G مردد هستند، به فناوری انتقال بی‌سیم برق نیز هم به دیده تردید نگاه کنند. به اعتقاد او مهم‌ترین چالش پیش روی امرد، اطمینان دادن به مردم در مورد بی‌ضرر بودن اشعه‌های لیزر در سیستم مورداستفاده توسط این استارتاپ است.

امرد دفتری هم در شهر بوستون دارد، به همین دلیل به احتمال بسیار زیاد پروژه بعدی این شرکت برای انتقال بی‌سیم برق در آمریکا اجرا خواهد شد.

معرفی چند فناوری مبتکرانه دیگر برای انتقال بی‌سیم برق

با آغاز دهه ۲۰۲۰ قرن ۲۱ تقاضا و البته نیاز برای دستیابی به روش‌های تولید انرژی پاک و نامحدود افزایش یافته است. ایجاد روش‌های مؤثر و کارآمد، برای انتقال بی‌سیم برق به‌جای استفاده از روش‌های قدیمی و متداول انتقال برق می‌تواند تحولی بزرگ در حوزه تولید انرژی پاک باشد.

در ادامه تعدادی از روش‌های انتقال برق به‌صورت بی‌سیم را بیان می‌کنیم..

شرکت ویو یا Wireless Advanced Vehicle Electrification (WAVE)، یک شرکت فناوری آمریکایی فعال در تولید و طراحی ابزارهای لازم برای انتقال بی‌سیم برق به وسایل نقلیه کم‌مصرف و پرمصرف محسوب می‌شود. استفاده از سیستم‌های شارژ طراحی‌شده توسط این شرکت در زیر معابر خودروها، مثل پارکینگ‌ها و جاده‌ها نیز وجود دارد و می‌توانند یک مگاوات برق را بدون نیاز به سیم منتقل کنند.

گزارش‌ها نشان می‌دهد که ممکن است تسلا برای تأمین نیروی موردنیاز کامیون برقی جدید خود، یعنی کامیون Semi، نیز از سیستم شارژ بی‌سیم القایی شرکت Wave استفاده کند.

موسسه پژوهشی غیرانتفاعی Beyond Earth در نظر دارد یک سیستم کاملاً کارآمد برای انتقال بی‌سیم برق بر پایه استفاده از ماهواره‌های خورشیدی ایجاد کند. مسئولان این موسسه مدعی هستند که این سیستم علاوه بر اینکه می‌تواند برق صنایع مختلف درسیاره زمین را تأمین کنند، برای تأمین انرژی موردنیاز برای فعالیت‌های انسان در کره ماه هم می‌تواند به کار گرفته شود.

 سیستم معرفی‌شده توسط Beyond Earth از دو بخش تشکیل شده است: بخش اول یک ماهواره خورشیدی فضایی که نور خورشید را دریافت می‌کند و برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق، دقیقا همان فرایندی را انجام می‌دهد که در پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک، سیستم‌های متمرکزکننده انرژی خورشیدی و واحدهای زیرمجموعه سیستم انتقال بی‌سیم برق رخ می‌دهد. بخش دوم گیرنده‌ای است که پس از دریافت انرژی تولیدشده آن را به بخش‌های موردنظر سیاره زمین و کره ماه که نیازمند انرژی هستند، ارسال می‌کند طبق پیش‌بینی مسئولان موسسه فرایند ساخت و تکمیل این سیستم تا سال ۲۰۳۰ به پایان می‌رسد.

اداره حمل‌ونقل ایندیانا (The Indiana Department of Transportation) با مشارکت دانشگاه پردیو (Purdue University)  و یک شرکت سیمان‌سازی آلمانی با نام مگمنت (Magment) در حال آزمایش و بررسی پروژه‌ای برای ساخت یک جاده سیمانی مغناطیسی هستند که زمانی که خودروها روی آن حرکت می‌کند، به‌صورت خودکار بدون سیم شارژ شوند.

در فاز اول این طرح پژوهشی دانشگاه پردیو از طریق بررسی‌های آزمایشگاهی پایدار ماندن یا نبودن این جاده را بررسی خواهد کرد. زمانی که این موضوع از سوی پژوهشگران دانشگاه تأیید شد، جاده‌ای آزمایشی به طول ۴۰۰ متر با سیمان مغناطیسی تولیدی شرکت مگمنت ساخته می‌شود و برای شارژ کامیون‌های ۲۰۰ کیلوواتی مورد آزمایش قرار خواهد گرفت.

 اگر ساخت جاده آزمایشی موفقی داشته باشد، دولت آمریکا از این فناوری در جاده‌های عمومی استفاده خواهد کرد این پروژه شارژ بی‌سیم مبتنی بر استفاده از زمین، بخشی از پروژه مبتکرانه ASPIRE است. کلمه ASPIRE مخفف عبارت Advancing Sustainability through Power Infrastructure for Road Electrification به معنی پیشبرد پایداری از طریق زیرساخت‌های برق برای برق‌رسانی به جاده‌ها است. بنیاد ملی علوم آمریکا و بسیاری از موسسه‌های خصوصی و عمومی دیگر از این پروژه حمایت کرده‌ند.

شرکت آمریکایی ویتریسیتی (WiTricity) نیز در حال کار کردن روی فناوری خاصی هستند که باعث می‌شود هنگامی‌که خودروها در مکان خاصی پارک می‌شوند، با استفاده از مدارهای تشخیص مغناطیسی شارژ شوند.

درصورتی‌که فناوری انتقال شارژ بی‌سیم برق با اینترنت اشیا و هوش مصنوعی نیز ترکیب شود، بدون تردید در آینده فناوری‌های شگفت‌انگیز ایجاد خواهد شد که می‌تواند انسان را وارد دنیای فناوری جدید شگفت‌انگیز کند؛ به‌عنوان‌مثال شارژ بی‌سیم هوشمند که توسط برند موتورولا مطرح شده، یکی از این فناوری‌ها است. طبق ادعای شرکت موتورولا در این روش دیگر نیازی به استفاده از پد شارژر بی‌سیم برای شارژ گوشی‌ها یا وسایل مشابه نیست و این دستگاه‌ها می‌توانند حتی با فاصله حدود ۹ متر از دستگاه شارژر نیز با تو آن بین ۵ تا ۱۰ وات بدون هیچ مشکلی شارژ شوند.