Энергетический интернет: как получать тепло, свет и кинетическую энергию вообще без аккумуляторов

Современные портативные устройства, медицинские приборы и электрический транспорт по-прежнему зависят от химических источников тока. Даже технологии беспроводной зарядки, получившие широкое распространение за последнее десятилетие, решают лишь одну узкую задачу: заменяют физический провод электромагнитным полем, передавая электричество от источника питания к встроенному аккумулятору. Само устройство при этом не может работать напрямую от излучения — сначала оно накапливает заряд в батарее, и лишь затем расходует его на работу двигателей, экранов или нагревателей.

Инженеры из Гонконгского политехнического университета (PolyU) предложили отказаться от этой схемы. В журнале Nature Reviews Electrical Engineering коллектив под руководством профессоров Чау Квок Тонга и Лю Вэя опубликовал технический план создания распределенной сети, которую авторы назвали «беспроводным энергетическим интернетом» (Wireless Energy Internet). В основе работы лежит концепция прямого беспроводного преобразования энергии (Direct Wireless Energy Conversion). Ученые описали методы, позволяющие электромагнитному полю напрямую приводить в движение механические узлы, нагревать материалы или генерировать свет в точке приема, минуя этап накопления энергии в аккумуляторах.

Почему аккумуляторная схема исчерпала себя

В современных приборах с беспроводным питанием путь энергии от розетки до исполнительного механизма состоит из длинной цепочки последовательных преобразований. Сначала переменный ток из стационарной сети поступает в передающую станцию. Там электронная схема повышает его частоту и подает на излучающую катушку, которая создает переменное электромагнитное поле. Приемная катушка внутри устройства улавливает это поле, и в ней возникает переменный электрический ток.

На этом этапе прямое использование энергии прекращается, и начинается процесс ее сохранения:

• Переменный ток из приемной катушки поступает в выпрямитель, который преобразует его в постоянный ток.
• Контроллер питания регулирует напряжение и силу тока в соответствии с безопасными параметрами конкретного аккумулятора.
• Электрический ток вызывает обратимые химические реакции внутри литий-ионного или литий-полимерного элемента, энергия связывается в химической форме.
• В момент работы устройства химическая реакция протекает в обратном направлении, генерируя постоянный ток.
• Внутренняя плата управления перенаправляет этот ток на нужные компоненты — преобразует его для светодиодов, подает на нагревательные элементы или через инвертор вращает электромотор.

Каждое из этих звеньев имеет собственный коэффициент полезного действия, который всегда меньше единицы. Часть мощности неизбежно теряется в виде тепла на полупроводниковых ключах, выпрямительных диодах, медных проводниках и внутреннем сопротивлении самого аккумулятора. При интенсивном использовании эти потери нагревают прибор, что требует дополнительных систем охлаждения.

Кроме тепловых потерь, присутствие химического аккумулятора создает постоянные эксплуатационные проблемы. Срок службы батарей ограничен количеством циклов заряда и разряда. Со временем емкость снижается из-за деградации электродов и разложения электролита. При повреждениях корпуса, производственных дефектах или сбоях в управляющей электронике литиевые аккумуляторы подвержены процессу неконтролируемого саморазогрева, который приводит к возгоранию или разрушению корпуса с выбросом токсичных газов. Наконец, аккумуляторы составляют значительную часть от общей массы и внутреннего объема техники.

Четыре канала прямого преобразования энергии

Гонконгские исследователи предлагают убрать из этой цепи аккумулятор и большую часть промежуточной силовой электроники. Передатчик генерирует электромагнитное поле с заранее рассчитанными параметрами, а приемный узел устроен таким образом, чтобы входящее поле сразу выполняло нужную физическую работу. Авторы систематизировали прямое преобразование по четырем направлениям: механическому, термическому, оптическому и химическому.

Механическое преобразование. Вместо того чтобы сначала выпрямлять ток, стабилизировать его, заряжать батарею и затем подавать напряжение на обмотки электродвигателя, поле передатчика напрямую взаимодействует с подвижной частью механизма. Это реализуется через согласование частоты передаваемого поля с собственной резонансной частотой электромеханического привода. Например, в емкостных ультразвуковых двигателях переменное электрическое поле высокой частоты сразу вызывает механические микроколебания в пьезоэлектрических пластинах. Эти колебания преобразуются во вращательное или поступательное движение ротора за счет сил трения. Механизм начинает работать непосредственно под воздействием внешнего поля, не требуя собственных источников питания и тяжелых блоков управления.

Термическое преобразование. Для нагрева объекта традиционные системы подают ток от батареи на резистивную спираль. При прямом беспроводном преобразовании передающая антенна формирует высокочастотное поле, сфокусированное на конкретном участке или материале. В проводящих материалах поле возбуждает вихревые токи, которые быстро нагревают металл изнутри. В диэлектриках тепло выделяется за счет быстрой переориентации молекул под действием переменного электрического поля высокой частоты. Приемнику не нужны встроенные провода, нагревательные элементы и реле — нагрев происходит бесконтактно и только в заданной области.

Оптическое преобразование. В этой схеме электромагнитная волна стимулирует свечение материалов напрямую. Высокочастотное излучение воздействует на специальные люминофоры или полупроводниковые кристаллы, вызывая возбуждение электронов и последующее испускание квантов видимого света. Прибору не требуется светодиодный драйвер и постоянное напряжение — свет возникает до тех пор, пока на материал падает внешнее поле нужной частоты и напряженности.

Химическое преобразование. Авторы сохраняют в классификации традиционную зарядку аккумуляторов, но отводят ей вспомогательную роль. Этот режим необходим только для тех устройств, которым требуется резервный запас энергии для автономной работы в зонах, куда излучение передатчика не проникает физически.

Архитектура адаптивной координации

Чтобы подобная схема работала надежно, передающая станция не может просто постоянно излучать мощность во все стороны. Это привело бы к перерасходу электроэнергии и создало бы угрозу для людей и электронных приборов. В статье исследователей PolyU описывается адаптивная модель взаимодействия между источником и потребителями. Процесс передачи состоит из нескольких взаимосвязанных этапов:

• Идентификация и согласование. При появлении в зоне действия устройства-приемника передающая станция устанавливает с ним низкопотребляющий цифровой радиоканал связи. Приемник передает данные о своих характеристиках: тип требуемой энергии (механическая, тепловая или световая), рабочую частоту исполнительного узла, минимально необходимую мощность и текущие параметры нагрузки.
• Настройка передающего контура. Получив данные, передатчик перестраивает свои многочастотные компенсационные цепи. Это электрические контуры, состоящие из наборов индуктивностей и емкостей, которые позволяют менять рабочую частоту и фазу излучаемого сигнала без потери общего коэффициента полезного действия.
• Формирование направленного поля. Передающая система использует фазированную антенную решетку. Изменяя фазу сигнала на отдельных излучающих элементах, система формирует узконаправленный электромагнитный пучок в ближней зоне (на расстоянии до нескольких десятков сантиметров) или в дальней зоне (на дистанциях в метры). Поле направляется непосредственно на приемный элемент устройства.
• Обратная связь в реальном времени. При изменении нагрузки — например, если электромотор встречает механическое сопротивление и требует большего крутящего момента — приемник передает сигнал об этом, и передающая станция мгновенно корректирует плотность потока мощности.

За создание этой теоретической модели и демонстрацию ее инженерных решений коллектив профессоров Чау Квок Тонга и Лю Вэя получил золотую медаль на 50-й Международной выставке изобретений в Женеве и Гран-при на Азиатской выставке инноваций в Гонконге.

Где аккумуляторы недопустимы: медицина, химия, космос

Отказ от бортовых аккумуляторов наиболее востребован в узкоспециализированных областях, где химические источники тока создают прямые угрозы безопасности или технологические препятствия.

Медицинские роботы внутри томографов. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует постоянные магнитные поля с магнитной индукцией от 1,5 до 3 Тесла и выше. Внутри туннеля МРТ запрещено использовать любые ферромагнитные металлы: под действием поля они притягиваются с огромной силой. Кроме того, наличие металлических проводников и работающих батарей приводит к возникновению паразитных токов, искажению радиочастотных импульсов томографа и снижению точности медицинских снимков. Для проведения биопсии или точечных хирургических вмешательств непосредственно во время сканирования требуются специальные манипуляторы. Прямое беспроводное механическое преобразование решает эту задачу. Ультразвуковые моторы манипулятора изготавливаются из пьезокерамики и полимеров без содержания железа. Передающая антенна, размещенная вне зоны сканирования, направляет модулированное высокочастотное электрическое поле на манипулятор. Поле напрямую приводит в действие пьезоэлементы, двигающие инструменты хирурга. Робот не имеет металлических проводов, не содержит аккумулятора и не создает помех для радиочастотных датчиков томографа.

Полностью герметичные промышленные системы. На химических предприятиях, станциях перекачки горючих жидкостей и в вакуумных установках для производства микроэлектроники одной из главных причин аварий остается разгерметизация насосов и миксеров. В стандартных установках вал электромотора проходит сквозь стенку резервуара через уплотнительные сальники. Под действием агрессивных сред, щелочей, высоких температур или трения сальники неизбежно изнашиваются, что приводит к утечке опасных веществ или нарушению вакуума. Прямое беспроводное преобразование позволяет поместить ротор двигателя внутрь сплошного запаянного корпуса из диэлектрического материала или коррозионностойкого немагнитного сплава. На внешней стороне стенки резервуара монтируется передающая катушка. Переменное электромагнитное поле свободно проходит сквозь неподвижную герметичную стенку и наводит механический момент непосредственно на внутреннем роторе. В конструкции полностью отсутствуют сквозные отверстия, вращающиеся уплотнения, кабели питания и батареи, требующие замены.

Аэрокосмическая отрасль. В космическом пространстве эксплуатация химических аккумуляторов сопряжена с серьезными трудностями. В вакууме отсутствует отвод тепла за счет конвекции воздуха. На солнечной стороне корпус аппарата сильно нагревается, а в тени остывает до температур ниже минус ста градусов Цельсия. Для поддержания работоспособности литиевых батарей конструкторы вынуждены ставить сложные контуры жидкостного или радиационного терморегулирования, электрообогреватели и массивную теплоизоляцию. Кроме того, высокоэнергетические космические частицы повреждают химическую структуру ячеек, снижая их ресурс. Беспроводная передача механической и тепловой энергии между орбитальными модулями или от посадочной станции к небольшим колесным аппаратам на Луне и Марсе позволяет существенно снизить стартовую массу экспедиций. Планетоход, лишенный тяжелого блока аккумуляторов и систем их обогрева, несет значительно больше исследовательских приборов при тех же габаритах.

Четыре барьера на пути к промышленному внедрению

Авторы публикации в Nature Reviews Electrical Engineering подчеркивают, что переход от лабораторных прототипов к промышленному оборудованию сдерживается четырьмя серьезными инженерными проблемами.

• Биологическая безопасность и нормы излучения. Чтобы передавать сигналы связи (как в сотовых сетях), требуются доли ватта. Однако для вращения промышленного привода или быстрого нагрева необходима мощность от сотен ватт до нескольких киловатт. Электромагнитное поле высокой интенсивности взаимодействует с биологическими тканями. Человеческое тело в основном состоит из воды с растворенными электролитами, поэтому под действием высокочастотного поля в тканях начинают течь токи проводимости и смещения, что приводит к внутреннему нагреву органов. Международные регуляторы строго ограничивают плотность потока мощности и удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии (SAR). Инженерам необходимо проектировать системы с непрерывным отслеживанием пространства: если между передатчиком и приемником оказывается человек или домашнее животное, система должна за доли миллисекунды снижать мощность пучка или смещать его траекторию.
• Электромагнитная совместимость. Мощные излучающие устройства неизбежно генерируют побочные радиопомехи на высших гармониках основной частоты. Эти помехи способны нарушать работу расположенных рядом электронных приборов: сбивать показания высокоточных датчиков, ухудшать качество радиосвязи и влиять на работу микропроцессорных блоков управления. Создание узкополосных систем с низким уровнем паразитных излучений требует применения новых полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной (нитрида галлия и карбида кремния), а также разработки сложных фильтрующих цепей.
• Безопасность на физическом уровне. В проводных сетях электричество течет по изолированным кабелям, доступ к которым легко ограничить физически. При беспроводной передаче направленный поток электромагнитной энергии распространяется в открытом пространстве. Любой посторонний контур подходящего размера и индуктивности, внесенный в зону действия луча, начнет поглощать энергию. Это создает проблему несанкционированного отбора мощности. Исследователи PolyU предлагают внедрять методы «энергетического шифрования». В такой системе передатчик не излучает полезную мощность в статическом режиме. Излучение модулируется сложным цифровым кодом, динамически синхронизированным с приемником. Приемный контур ежесекундно подтверждает криптографический ключ по отдельному защищенному каналу. Если ключи не совпадают или в поле появляется посторонний объект, нарушающий геометрию распределения энергии, передатчик мгновенно прерывает резонанс и сбрасывает мощность.
• Отсутствие единых отраслевых стандартов. В настоящее время международная стандартизация беспроводного питания развита только для сценариев медленной зарядки маломощной электроники (например, протоколы Консорциума беспроводной электромагнитной энергии) и для бесконтактных площадок зарядки электромобилей (стандарт SAE J2954). Эти стандарты описывают исключительно электромагнитную индукцию для накопления постоянного тока в батареях. Нормативная база, описывающая интерфейсы прямого электромеханического или оптического преобразования, протоколы согласования параметров нагрузки и требования к излучению для механических приводов, сейчас полностью отсутствует. Без согласованных между отраслевыми производителями стандартов массовый выпуск совместимого оборудования невозможен.

Предложенный учеными Гонконгского политехнического университета переход от простой беспроводной передачи энергии к ее прямому беспроводному преобразованию меняет подход к конструированию подвижных механизмов. На протяжении всей истории развития электромеханики автономность прибора определялась объемом его внутреннего хранилища энергии. Конструкторы сначала закладывали в проект массу и габариты аккумулятора, а затем проектировали несущую раму, приводы и системы охлаждения под этот вес. Возможность избирательно получать механическую работу, тепло или свет из внешнего поля напрямую позволяет исключить химические накопители из конструкции многих типов оборудования. Это приведет к существенному уменьшению массы устройств, сокращению числа подвижных уплотнений и отказу от токсичных компонентов батарей. Механизм перестает быть замкнутой системой, зависящей от собственного запаса химических веществ, и становится чисто исполнительным звеном внешней распределенной энергетической инфраструктуры.