اتاق شارژ در چند قدمی شماست
اگر گوشی هوشمند یا لپ‌تاپ شما به محض این که وارد مکانی می‌شدید شروع به شارژ شدن می‌کرد،چه حسی داشتید؟ شبیه فیلم‌های علمی ـــ تخیلی به نظر می‌رسد؟ شاید کمی عجیب و غریب باشد اما ظاهرا روبه‌روشدن با این فناوری چندان دور از ذهن نیست. واقعیت این است که محققان موفق به ایجاد اتاق مخصوصی شده‌اند که می‌تواند انرژی را به انواع دستگاه‌های الکترونیکی موجود در آن منتقل کند، گوشی‌های هوشمند را شارژ کرده و انرژی مورد نیاز را برای عملکرد لوازم خانگی بدون دوشاخه یا باتری تأمین کند. اگر دوست دارید کمی بیشتر در مورد چگونگی تحقق یافتن این فناوری بدانید و مشتاقید هر چه زودتر بتوانید وارد چنین فضایی شوید در ادامه با ما همراه شوید.
تاکویا ساساتانی، استادیار دانشکده تحصیلات تکمیلی مهندسی دانشگاه توکیو و محقق اصلی این مطالعه جدید که مقاله‌اش به‌تازگی در مجله علمی نیچر الکترونیکز (Nature Electronics) منتشر شده است در توصیف این فناوری می‌گوید: این سیستم، انتقال قدرت بی‌سیم ایمن و قدرت بالا را در حجم زیاد امکان‌پذیر می‌کند. فناوری به کار رفته در این اتاق از همان پدیده‌ای بهره می‌برد که در شارژرهای بی‌سیم (وایرلس) تلفن‌همراه در حال حاضر استفاده می‌شود؛ یک سیم‌پیچ فلزی که در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، جریان الکتریکی تولید می‌کند.
شارژر بی‌سیم؛ الهام‌بخش اتاق شارژ
پایه‌های شارژر بی‌سیم تجاری موجود از برق یک پریز دیواری برای تولید میدان مغناطیسی در یک منطقه کوچک استفاده می‌کند. بیشتر گوشی‌های هوشمند جدید مجهز به سیم پیچ فلزی هستند و زمانی که گوشی‌های دارای این فناوری روی پایه شارژر قرار می‌گیرند، این تعامل جریان کافی را برای تغذیه باتری گوشی فراهم می‌کند اما شارژرهای بی‌سیم تجاری امروزی برد بسیار محدودی دارند. اگر گوشی را از روی پایه بردارید یا در قاب بسیار ضخیم قرار دهید، عملیات شارژ بی‌سیم متوقف می‌شود اما اگر میدان مغناطیسی در تمام فضای یک اتاق ایجاد شود، هر گوشی هوشمندی که در اتاق قرار دارد، می‌تواند به‌صورت بی‌سیم یا همان وایرلس شارژ شود. جاشوا اسمیت، استاد علوم کامپیوتر و مهندسی برق در دانشگاه واشنگتن که در این تحقیقات همکاری نداشته در این باره می‌گوید: «تصور داشتن اتاقی که در آن دستگاه‌های مختلف می‌توانند در هر مکانی که هستند بدون نیاز به سیم از برق استفاده کنند واقعا جذاب و هیجان‌انگیز است. این مقاله گامی دیگر در جهت دست‌یافتنی کردن این رویای شیرین است.»
کجای اتاق بهتر شارژ می‌کند؟
در این مطالعه، محققان از یک اتاق آزمایش سفارشی در حدود 18مترمکعب (تقریبا معادل یک کانتینر کوچک حمل‌ونقل) استفاده کرده‌اند که ساساتانی آن را از صفحات آلومینیومی رسانا با یک تیر فلزی در وسط آن ساخته بود. این گروه تحقیقاتی اتاق را با یک لامپ و پنکه بی‌سیم و چند وسیله غیر برقی از جمله صندلی، میز و قفسه کتاب تجهیز کردند. هنگامی که محققان جریان الکتریکی را از طریق دیوارها و تیر فلزی در مرکز اتاق با الگویی مشخص عبور دادند، میدان مغناطیسی سه‌بعدی در تمام فضای اتاق ایجاد شد. درواقع، نحوه چینش‌ها به گونه‌ای بود که دو میدان مغناطیسی در فضای اتاق ایجاد شود: یک میدان مرکز اتاق را پوشش می‌داد و دیگری گوشه‌ها را می‌پوشاند، بنابراین هر وسیله‌ای که در این فضا قرار می‌گرفت، می‌توانست بدون برخورد با نقاط مرده شارژ شود. ساساتانی و همکارانش با انجام شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها دریافتند با این روش می‌توانند 50وات برق در کل اتاق در دسترس قرار دهند و تمام دستگاه‌های مجهز به سیم‌پیچ گیرنده که از پیش آزمایش کرده بودند، یعنی گوشی هوشمند، لامپ و فن را روشن کنند. با این حال مقداری انرژی در جریان انتقال از بین رفت. بازده تحویل برق بسته به قدرت میدان مغناطیسی در هر نقطه از اتاق و همچنین جهت قرارگیری دستگاه از حداقل 1/37درصد تا حداکثر 90درصد متغیر بود.
چالش‌های اتاق شارژ
در صورتی که در ساخت این اتاق احتیاط‌های لازم صورت نگیرد، عبور جریان در دیوارهای فلزی اتاق معمولا دو نوع موج الکتریکی و مغناطیسی را ایجاد خواهد کرد. این مسأله می‌تواند مشکل‌ساز شود، زیرا میدان‌های الکتریکی می‌توانند در بافت‌های زیستی گرما تولید کرده و برای انسان خطرناک باشند. بنابراین این گروه پژوهشی برای جلوگیری از بروز این مشکل خازن‌هایی (قطعاتی که انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند) را در دیوارها تعبیه کردند. ساساتانی در این باره توضیح می‌دهد: «این فرآیند میدان مغناطیسی ایمن را در حجم اتاق ساطع می‌کند در حالی که بخش‌های خطرناک را در تمام اجزای تعبیه شده در داخل دیوارها محصور می‌نماید.»
محققان با اجرای شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، ایمنی اتاق را مورد آزمایش قرار دادند و میزان جریانی را که بدن انسان احتمالا در معرض آن قرار خواهد گرفت در یک مدل دیجیتالی از اتاق شارژ اندازه‌گیری کردند. نهادهای رسمی مانند کمیسیون ارتباطات فدرال، استانداردهایی را برای میزان تابش الکترومغناطیسی که بدن انسان بدون آسیب و به طور ایمن می‌تواند در معرض آن قرار بگیرد در نظر گرفته‌اند. بر اساس شبیه‌سازی انجام شده جذب انرژی در اتاق آزمایش تا حد قابل‌قبولی پایین‌تر از حد آستانه تعیین شده باقی می‌ماند.
آلانسون سمپل، استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه میشیگان و یکی از محققان اصلی این پژوهش توضیح می‌دهد: «ما نمی‌خواهیم به صورت قطعی ادعا کنیم این فناوری در تمام شرایط استفاده کاملا ایمن و بی‌خطر است و هنوز در این خصوص در حال کاوش هستیم اما این شبیه‌سازی اطمینان‌خاطر می‌دهد که هنوز فضای زیادی برای این که بتوانیم زیر حد آستانه تعیین شده فعالیت کنیم وجود دارد؛ جایی که می‌توانیم تلفن همراه شما را به همان سادگی که پای خود را در اتاق می‌گذارید بدون نگرانی در مورد مسائل ایمنی شارژ کنیم.»
تا چه زمانی وارد اتاق شارژ خواهیم شد؟
این مطالعات نشان داده است علاوه بر گوشی همراه، یک اتاق شارژ بی‌سیم اختصاصی به انواع دستگاه‌های الکترونیکی مانند حسگرها، ربات‌های متحرک یا حتی ایمپلنت‌های پزشکی در پس‌زمینه عملکردشان، بدون اتصال سیمی و این که فرد بخواهد کاری کند، شارژ مجدد شوند. این تکنیک همچنین می‌تواند در موقعیت‌های تخصصی‌تر نیز به‌کار گرفته شود. اسمیت می‌گوید: «می‌توانم تصور کنم این فناوری برای فضاهای بسیار دقیق و گران‌قیمت مانند اتاق عمل تا چه حد می‌تواند کارآمد باشد؛ جایی پر از دستگاه‌ها و تجهیزات برقی مختلف که می‌تواند به سادگی و بدون نیاز به سیم برق انرژی مورد نیازشان تأمین شود.» اما هنوز فاصله زیادی تا اجرایی شدن این برنامه‌ها در آینده باقی‌مانده است. سمپل می‌گوید: «گذاشتن ورق‌های آلومینیومی روی دیوار خانه‌ها، سنگینی زیادی را به بنای ساختمان اضافه می‌کند، در جایی که مزیت‌های حاصل از این کار هنوز آن‌قدری نیست که اضافه شدن این وزن سنگین به ساختمان را توجیه کند، ما موفق به توسعه یک فناوری بسیار جدید شده‌ایم و اکنون باید بفهمیم چگونه می‌توانیم آن را کاربردی کنیم.»
رقابت بر سر شارژ بی‌سیم
شارژ بی‌سیم یک مفهوم بسیار رقابتی است و چند استارت‌آپ برای انتقال نیرو از طریق روش‌های مختلف الکترومغناطیس، لیزر یا امواج صوتی در این راستا در حال رقابت با یکدیگر هستند. اسمیت در این باره توضیح می‌دهد: «بسیاری از محققان به رویکردهای ایجاد پرتوهای انرژی برای چنین کاربردی علاقه‌مند هستند که در آنها انرژی به‌صورت یک موج رادیویی پخش و به اطراف هدایت می‌شود. مزیت رویکردی که در این تحقیق جدید استفاده شده این است که میدان‌ها عمدتا مغناطیسی‌اند که در مقایسه با انتقال امواج رادیویی که در آنها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌صورت تقریبا مساوی وجود دارد، ایمن‌تر است و در هر درجه ایمنی قدرت بیشتری را فراهم می‌کند.» وی از سوی دیگر معتقد است باید به این نکته هم توجه کرد که توسعه پرتو شارژ نیازی به یک اتاق فلزی سفارشی ندارد که یک تیر در وسط آن قرار دارد. بنابراین هریک از این تکنیک‌ها ممکن است کاربردهای خاص خود را داشته باشد. سمپل می‌گوید: «مکانیسم‌های دیگری برای شارژ وجود دارد که طیف وسیع‌تر از میدان را فراهم می‌کنند اما همچنان ساز و کاری وجود ندارد که مثلا 10وات قدرت را در هر جایی از فضای یک مکان
به شما بدهد.»
scientificamerican.com
اتاق آزمایش انتقال برق بی‌سیم قبل از اتمام و تجهیز. با شیوه نوردهی طولانی، مسیر چراغ LED قرمز بی‌سیم در صورتی که در اتاق حرکت کند، به ثبت رسیده است
هنگامی که محققان جریان الکتریکی را از طریق دیوارها و تیر فلزی در مرکز اتاق با الگویی مشخص عبور دادند، میدان مغناطیسی سه‌بعدی در تمام فضای اتاق ایجاد شد
شارژر بی‌سیم؛ الهام‌بخش اتاق شارژ
پایه‌های شارژر بی‌سیم تجاری موجود از برق یک پریز دیواری برای تولید میدان مغناطیسی در یک منطقه کوچک استفاده می‌کند. بیشتر گوشی‌های هوشمند جدید مجهز به سیم پیچ فلزی هستند و زمانی که گوشی‌های دارای این فناوری روی پایه شارژر قرار می‌گیرند، این تعامل جریان کافی را برای تغذیه باتری گوشی فراهم می‌کند اما شارژرهای بی‌سیم تجاری امروزی برد بسیار محدودی دارند. اگر گوشی را از روی پایه بردارید یا در قاب بسیار ضخیم قرار دهید، عملیات شارژ بی‌سیم متوقف می‌شود اما اگر میدان مغناطیسی در تمام فضای یک اتاق ایجاد شود، هر گوشی هوشمندی که در اتاق قرار دارد، می‌تواند به‌صورت بی‌سیم یا همان وایرلس شارژ شود. جاشوا اسمیت، استاد علوم کامپیوتر و مهندسی برق در دانشگاه واشنگتن که در این تحقیقات همکاری نداشته در این باره می‌گوید: «تصور داشتن اتاقی که در آن دستگاه‌های مختلف می‌توانند در هر مکانی که هستند بدون نیاز به سیم از برق استفاده کنند واقعا جذاب و هیجان‌انگیز است. این مقاله گامی دیگر در جهت دست‌یافتنی کردن این رویای شیرین است.»
کجای اتاق بهتر شارژ می‌کند؟
در این مطالعه، محققان از یک اتاق آزمایش سفارشی در حدود 18مترمکعب (تقریبا معادل یک کانتینر کوچک حمل‌ونقل) استفاده کرده‌اند که ساساتانی آن را از صفحات آلومینیومی رسانا با یک تیر فلزی در وسط آن ساخته بود. این گروه تحقیقاتی اتاق را با یک لامپ و پنکه بی‌سیم و چند وسیله غیر برقی از جمله صندلی، میز و قفسه کتاب تجهیز کردند. هنگامی که محققان جریان الکتریکی را از طریق دیوارها و تیر فلزی در مرکز اتاق با الگویی مشخص عبور دادند، میدان مغناطیسی سه‌بعدی در تمام فضای اتاق ایجاد شد. درواقع، نحوه چینش‌ها به گونه‌ای بود که دو میدان مغناطیسی در فضای اتاق ایجاد شود: یک میدان مرکز اتاق را پوشش می‌داد و دیگری گوشه‌ها را می‌پوشاند، بنابراین هر وسیله‌ای که در این فضا قرار می‌گرفت، می‌توانست بدون برخورد با نقاط مرده شارژ شود. ساساتانی و همکارانش با انجام شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها دریافتند با این روش می‌توانند 50وات برق در کل اتاق در دسترس قرار دهند و تمام دستگاه‌های مجهز به سیم‌پیچ گیرنده که از پیش آزمایش کرده بودند، یعنی گوشی هوشمند، لامپ و فن را روشن کنند. با این حال مقداری انرژی در جریان انتقال از بین رفت. بازده تحویل برق بسته به قدرت میدان مغناطیسی در هر نقطه از اتاق و همچنین جهت قرارگیری دستگاه از حداقل 1/37درصد تا حداکثر 90درصد متغیر بود.
چالش‌های اتاق شارژ
در صورتی که در ساخت این اتاق احتیاط‌های لازم صورت نگیرد، عبور جریان در دیوارهای فلزی اتاق معمولا دو نوع موج الکتریکی و مغناطیسی را ایجاد خواهد کرد. این مسأله می‌تواند مشکل‌ساز شود، زیرا میدان‌های الکتریکی می‌توانند در بافت‌های زیستی گرما تولید کرده و برای انسان خطرناک باشند. بنابراین این گروه پژوهشی برای جلوگیری از بروز این مشکل خازن‌هایی (قطعاتی که انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کنند) را در دیوارها تعبیه کردند. ساساتانی در این باره توضیح می‌دهد: «این فرآیند میدان مغناطیسی ایمن را در حجم اتاق ساطع می‌کند در حالی که بخش‌های خطرناک را در تمام اجزای تعبیه شده در داخل دیوارها محصور می‌نماید.»
محققان با اجرای شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، ایمنی اتاق را مورد آزمایش قرار دادند و میزان جریانی را که بدن انسان احتمالا در معرض آن قرار خواهد گرفت در یک مدل دیجیتالی از اتاق شارژ اندازه‌گیری کردند. نهادهای رسمی مانند کمیسیون ارتباطات فدرال، استانداردهایی را برای میزان تابش الکترومغناطیسی که بدن انسان بدون آسیب و به طور ایمن می‌تواند در معرض آن قرار بگیرد در نظر گرفته‌اند. بر اساس شبیه‌سازی انجام شده جذب انرژی در اتاق آزمایش تا حد قابل‌قبولی پایین‌تر از حد آستانه تعیین شده باقی می‌ماند.
آلانسون سمپل، استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه میشیگان و یکی از محققان اصلی این پژوهش توضیح می‌دهد: «ما نمی‌خواهیم به صورت قطعی ادعا کنیم این فناوری در تمام شرایط استفاده کاملا ایمن و بی‌خطر است و هنوز در این خصوص در حال کاوش هستیم اما این شبیه‌سازی اطمینان‌خاطر می‌دهد که هنوز فضای زیادی برای این که بتوانیم زیر حد آستانه تعیین شده فعالیت کنیم وجود دارد؛ جایی که می‌توانیم تلفن همراه شما را به همان سادگی که پای خود را در اتاق می‌گذارید بدون نگرانی در مورد مسائل ایمنی شارژ کنیم.»
تا چه زمانی وارد اتاق شارژ خواهیم شد؟
این مطالعات نشان داده است علاوه بر گوشی همراه، یک اتاق شارژ بی‌سیم اختصاصی به انواع دستگاه‌های الکترونیکی مانند حسگرها، ربات‌های متحرک یا حتی ایمپلنت‌های پزشکی در پس‌زمینه عملکردشان، بدون اتصال سیمی و این که فرد بخواهد کاری کند، شارژ مجدد شوند. این تکنیک همچنین می‌تواند در موقعیت‌های تخصصی‌تر نیز به‌کار گرفته شود. اسمیت می‌گوید: «می‌توانم تصور کنم این فناوری برای فضاهای بسیار دقیق و گران‌قیمت مانند اتاق عمل تا چه حد می‌تواند کارآمد باشد؛ جایی پر از دستگاه‌ها و تجهیزات برقی مختلف که می‌تواند به سادگی و بدون نیاز به سیم برق انرژی مورد نیازشان تأمین شود.» اما هنوز فاصله زیادی تا اجرایی شدن این برنامه‌ها در آینده باقی‌مانده است. سمپل می‌گوید: «گذاشتن ورق‌های آلومینیومی روی دیوار خانه‌ها، سنگینی زیادی را به بنای ساختمان اضافه می‌کند، در جایی که مزیت‌های حاصل از این کار هنوز آن‌قدری نیست که اضافه شدن این وزن سنگین به ساختمان را توجیه کند، ما موفق به توسعه یک فناوری بسیار جدید شده‌ایم و اکنون باید بفهمیم چگونه می‌توانیم آن را کاربردی کنیم.»
رقابت بر سر شارژ بی‌سیم
شارژ بی‌سیم یک مفهوم بسیار رقابتی است و چند استارت‌آپ برای انتقال نیرو از طریق روش‌های مختلف الکترومغناطیس، لیزر یا امواج صوتی در این راستا در حال رقابت با یکدیگر هستند. اسمیت در این باره توضیح می‌دهد: «بسیاری از محققان به رویکردهای ایجاد پرتوهای انرژی برای چنین کاربردی علاقه‌مند هستند که در آنها انرژی به‌صورت یک موج رادیویی پخش و به اطراف هدایت می‌شود. مزیت رویکردی که در این تحقیق جدید استفاده شده این است که میدان‌ها عمدتا مغناطیسی‌اند که در مقایسه با انتقال امواج رادیویی که در آنها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌صورت تقریبا مساوی وجود دارد، ایمن‌تر است و در هر درجه ایمنی قدرت بیشتری را فراهم می‌کند.» وی از سوی دیگر معتقد است باید به این نکته هم توجه کرد که توسعه پرتو شارژ نیازی به یک اتاق فلزی سفارشی ندارد که یک تیر در وسط آن قرار دارد. بنابراین هریک از این تکنیک‌ها ممکن است کاربردهای خاص خود را داشته باشد. سمپل می‌گوید: «مکانیسم‌های دیگری برای شارژ وجود دارد که طیف وسیع‌تر از میدان را فراهم می‌کنند اما همچنان ساز و کاری وجود ندارد که مثلا 10وات قدرت را در هر جایی از فضای یک مکان
به شما بدهد.»
scientificamerican.com
اتاق آزمایش انتقال برق بی‌سیم قبل از اتمام و تجهیز. با شیوه نوردهی طولانی، مسیر چراغ LED قرمز بی‌سیم در صورتی که در اتاق حرکت کند، به ثبت رسیده است
هنگامی که محققان جریان الکتریکی را از طریق دیوارها و تیر فلزی در مرکز اتاق با الگویی مشخص عبور دادند، میدان مغناطیسی سه‌بعدی در تمام فضای اتاق ایجاد شد
