Японские исследователи создали комнату, почти в любой точке которой можно заряжать телефоны и питать небольшие электрические устройства. Энергия для этого передаётся беспроводным способом, с использованием индукционных катушек, а проводящие стенки помещения работают как полостной резонатор, создавая стоячие электромагнитные волны нужной конфигурации.
Системы беспроводной зарядки известны и активно разрабатываются в последние годы. Во многих решениях, особенно ранних, для передачи энергии используется микроволновое излучение. Дальность передачи в таких системах не очень высокая, а если использовать более мощные передатчики, то такое излучение может быть опасным для организма. Более новый подход — передача энергии методом магнитно-резонансной связи между индукционными катушками. Часто подобные устройства реализованы в виде некоторых двумерных структур (проводящих поверхностей), и заряжаемое устройство необходимо размещать только в определённых точках такой поверхности. Следующий шаг — трёхмерные конструкции («комнаты для зарядки»), безопасные для человека и животных, в которых можно было бы заряжать множество разных устройств и размещать их практически в произвольных местах.
Физики из университетов Токио и Мичигана предложили решение для такого помещения беспроводной зарядки с использованием квазистатического магнитного поля внутри объёмного резонатора. Система использует помещение размером с типичную комнату с проводящими стенками из металлических листов, которые образуют электромагнитную резонансную полость. В стенки встроены конденсаторы, которые подстраивают резонансные частоты электромагнитных мод и локализуют электрическую компоненту поля. Если использовать несколько стоячих мод электромагнитных колебаний в таком резонаторе, можно создать достаточно однородное магнитное поле (минимумы одних мод в определённых точках компенсируются за счёт максимумов других мод), и использовать его для передачи энергии на принимающие катушки, которые могут размещаться почти в любой точке комнаты. Статья о результатах экспериментов по «беспроводной зарядке магнитным полем» опубликована в конце августа 2021 года в Nature Electronics.
Размер специально построенной экспериментальной «комнаты» для беспроводной зарядки (каркасной конструкции с алюминиевыми панелями) — 3 × 3 × 2 метра. Для эффектной демонстрации авторы оформили внутренний «рабочий» участок конструкции (резонансную полость, в которой пытаются создать однородное поле) в виде жилой комнаты со стенками и некоторым количеством мебели. Источник питания вне комнаты создаёт тон с частотой 1,34 МГц (резонансная частота в соответствии с выбранной геометрией и размерами помещения), как видно на демонстрационном видеоролике. Сигнал подаётся внутрь помещения через катушку возбуждения, индукционно связанную с проводящими стенками. В соответствии с принципом электромагнитной индукции магнитное поле катушки порождает электрический ток, который проходит по проводящим стенам, полу и потолку, создавая трёхмерное магнитное поле внутри такого резонатора. Конфигурация одной типичной резонансной моды не решает задачи распространения поля на всю комнату — в прямоугольном помещении неизбежно создаются «мёртвые зоны» по углам и в узлах стоячих волн. Предложенное решение состоит в распространении двух основных мод, дополняющих друг друга. Одна из мод использует медный стержень посреди комнаты — рисунок магнитных линий этой моды закручивается вокруг стержня. Вторая мода не использует стержень, зато её линии магнитного поля проходят вдоль соседних стенок, компенсируя мёртвые зоны от «стержневой» моды.
За преобразование энергии магнитного поля отвечают небольшие приёмные катушки, которые через преобразователи напряжения подключаются к устройствам. Кроме смартфонов, без розетки в таком помещении удаётся передать электроэнергию на другие приборы, в частности, на лампу и вентилятор. Безопасная выходная мощность для устройств при этом составляет 50 ватт: напряжённость магнитного поля в комнате при такой мощности безопасна для людей, а электрическая составляющая электромагнитных колебаний задерживается на системе конденсаторов по периметру комнаты. Эксперименты показали, что выбранная комбинация двух мод позволяет удачно заполнить магнитным полем почти всё пространство — устройство, которое нужно зарядить или запитать, можно разместить почти везде, при этом эффективность передачи энергии составляет не менее 50 процентов на 98 процентах пространства. Нужно заметить, что реальность выглядит пока не так эффектно. Например, эффективность передачи энергии сильно зависит от ориентации приёмной катушки устройства. Поэтому зарядить телефон в такой комнате, просто бросив его на полку в случайном положении, может и не получиться.
Следующий шаг — испытание технологии в настоящих помещениях. Авторы экспериментируют с переоборудованием нескольких комнат в кампусе Мичиганского университета, и работы по переоснащению завершатся осенью. Такие беспроводные «зарядные комнаты» в будущем, кроме подобной бытовой техники, могут использоваться и для более серьёзных приложений — в частности, для питания роботов, датчиков в беспроводных сенсорных сетях или носимых медицинских приборов.
