7 причин, почему беспроводное электричество и мощные беспроводные зарядки останутся в научной фантастике
Беспроводные зарядки удобны: бросил гаджет на подставку, и ничего подключать не надо. А как здорово было бы использовать их для подзарядки электроавтомобилей!
И почему эти странные ученые до сих пор не могут воспроизвести технологию великого Тесла? Странные они, сто лет работают и результата нет.
Именно так думает почти каждый, кто задумывается современных технологиях передачи электричества. Ведь без проводов быстрее, удобней и надежнее (наверно).
На практике передача малых токов без проводов легко осуществима на малых расстояниях. Но как только требуется высокий ток, повышенная мощность работы или большое расстояние трансляции — начинаются серьезные проблемы, связанные с простейшими физическими законами.
А есть и другие трудноразрешимые задачи.
Никола Тесла — великий учитель и великий обманщик
Большая часть мифов, связанных с беспроводной передачей электричества, досталась человечеству от конспирологов и «переваренных» ими многочисленных мифов о великом сербско-американском изобретателе.
Ещё в начале двадцатого века он экспериментами в Колорадо-Спрингс показал возможность передачи электромагнитного поля на удалении, когда ему удалось зажечь лампочку на расстоянии свыше трёх километров.
Как ему это удалось? Официального ответа на этот вопрос нет, поскольку методика эксперимента осталась в тайне. А известные записи рассказывают совсем о другом.
Зато есть законы физики и впечатления очевидцев, которые говорят о невероятной мощности передатчика (по меркам времени, конечно): потрачено было намного больше энергии, чем нужно какой-то лампочке.
А поскольку цифр нет, данных нет — не миф ли это, как и многие другие его разработки? Тесла оказался величайшим мистификатором своего времени, а раскрыть это во всей красе позволяют современные «достижения».
Сегодня его труды пытаются повторить с помощью инвестиций новозеландской энергетической компании Powerco силами местного стартапа Emrod.
Согласно официальной информации, проект Emrod предусматривает беспроводную передачу энергии между приёмником и передатчиком на расстоянии прямой видимости, а это, на самом деле, могут быть десятки километров.
Созданный прототип на данный момент проходит лабораторные испытания, а затем начнутся и полевые, в которых планируется передавать ток мощностью до 2 кВт.
Заявлено, что за счёт новых радиопоглощающих материалов КПД приёмной (выпрямляющей) антенны доведён до 100%, а КПД передающей системы приближается к 70%.
И тут-то они попались: ничто не может иметь КПД в 100%. Законы сохранения энергии и принцип причинности никто не отменял: передающаяся волна не может полностью преобразовываться в необходимый тип энергии.
В случае с электричеством и реальными инженерными устройствами все совсем печально.
1. Беспроводные зарядки имеют низкое КПД
Сегодня существует три основных варианта мощности беспроводных Qi-зарядок: 5 Вт, 7,5 Вт, 10 Вт. Для сравнения, самые распространенные проводные — 5 Вт, 10 Вт и 18 Вт.
Коэффициент полезного действия проводных блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный с заданными параметрами, балансирует в пределах от 50 до 85%. Остальное выделяется теплом и выражается нагревом элементов электроцепи.
Минимальным условием для работы Qi хотя бы с 5 Вт — зарядное устройство на 10 Вт. Иначе ничего не выйдет, зарядка не заработает.
При этом для работы Qi с мощностью 10 Вт необходим блок питания с поддержкой QC 3.0 на 18 Вт или мощнее (чаще предлагается использовать PD на 24 Вт).
КПД преобразования составляет всего 55%.
Сама передача от зарядки к устройству тоже является источником потерь: телефон в среднем принимает 4,2 Вт из 5Вт (КПД 85%) и 9,1Вт из 10Вт (КПД около 90%).
Из 18 Вт сделать 9,1 Вт с КПД 50% — это теперь называется «зеленая экономичная энергетика»?
Неужели нет более удачных технологий? Есть. Теоретически проблема проста: повышаем напряжение, уменьшаем ток, снижаем потери.
Только в электронике аккумулятор на 4,35 В, поэтому придётся оснащать смартфон понижающим преобразователем. Который должен быть рассчитан
- на конкретные параметры зарядки
- с запасом по напряжению
- и обладать большими потерями из-за преобразования и особенностей использованных для него транзисторов
Высокомощные беспроводные интерфейсы, активно продвигаемые Xiaomi и другими китайскими брендами предлагают более высокие токи.
За счет этого, а так же дорогой электроники (и специфичного распределения себестоимости) им удаётся достичь КПД до 55–70%.
Однако им требуются высокомощные Power Delivery источники тока с мощностью 65 Вт и выше, которые сами по себе имеют достаточно высокие потери.
Поэтому чаще всего производители комплектуют Qi-зарядку собственным блоком питания. В итоге общая стоимость аксессуара на свободном рынке может достигать 20–40% от стоимости самого гаджета. Отдельно ничего не купить. Так зачем, если скорее всего с новым смартфоном придётся покупать более мощное устройство?
2. Тепловые потери никто не отменял
Второй проблемой являются уже упомянутые выше тепловые потери: энергия, которая теряется в процессе преобразования электрического тока из переменного в постоянный и при передаче его на расстояние, превращается в тепловую.
Происходит нагрев. Преимущественно самого зарядного устройства, а за счет этого — и заряжаемых гаджетов.
Для обычного LiPo-аккумулятора потери даже при обычной зарядке составляют не менее 15–20%. Добавляем потери выше, характерные для беспроводной передачи — получаем очень много тепла.
Все это куда-то нужно направить и рассеять в пространстве: LiPo батареи очень боятся любого нагрева — часто достаточно 100 градусов для маленького пожара.
Ещё одна проблема кроется в устройстве беспроводной зарядке. Что это? Набор электромагнитных катушек с парой чипов, которые передают поле в такие же катушки заряжаемому гаджету.
Плохое позиционирование и разные размеры катушек увеличивают потери и нагрев, снижая скорость зарядки.
Иногда это пытаются решать магнитами (MagSafe), иногда — перемещаемыми катушками или увеличением их числа, иногда — просто отключая процесс при нагреве. Результаты неплохие, но только для малых токов.
Увеличиваем мощность передачи — получаем кратное увеличение потерь. Фактически, даже 65 Вт без точного позиционирования можно рассматривать в виде маленького пожара.
Стоит ли рисковать или оставить технологию в виде прототипа на тот момент, когда люди привыкнут использовать беспроводные зарядки?
3. Беспроводное электричество взаимодействует с металлом
На самом деле существующие зарядки чуть сложнее, чем просто набор катушек: есть ещё несколько уровней защиты на уровне протокола (да-да, зарядник и гаджет общаются между собой) и схемотехники.
Один из уровней блокирует включение зарядки при попадании металлического предмета на электромагнитный передатчик.
Оказавшись над передающей индукционной катушкой, металл неизбежно начнёт нагреваться. Например, нескольких минут хватит, чтобы та же скрепка раскалилась и начала плавить пластик.
В MagSafe и автомобильных держателях магниты и их ответные металлические части лежат в стороне от катушки, поэтому взаимодействия нет.
В более сложных системах сначала нужно отладить очень точное позиционирование. Для автомобиля, дрона или розетки такое маловероятно.
Теоретически, можно подобрать частоту передачи, при которой взаимодействие будет минимальным (потребуются хитрые катушки).
Прототип решения существует и много лет тестируется. Но до серии ещё не дошло, и вряд ли это произойдёт в обозримом будущем: стоимость высокая, сложность изготовления и работы повышена.
Ко всему прочему, процесс зарядки более нестабилен.
4. Вред электромагнитного излучения не доказан. И не опровергнут
Это самый интересный вопрос, на который есть конкретный ответ только с определенными устройствами и границами. Безусловно, Qi-зарядки для гаджетов совершенно безопасны.
Даже самые мощные экземпляры, доступные для покупки в рознице, работоспособны только на малом расстоянии: мощность излучения не должна превышать 50 мВт/см2 на расстоянии 20 см от зарядки.
Правда, есть тонкость: расстояние и мощность на нём лимитировано правилами Комиссий по связи (разных стран). Поскольку предположения о возможном вреде существуют, но однозначно не установлены.
Дальше излучение практически не проникает ввиду своих свойств: электромагнитное излучение катушки с током распространяется кольцеобразно, образуя замкнутый контур.
Направленное излучение требует других частот, других мощностей, других типов излучения. Вред которых, кстати, чуть более изучен.
Маломощные радиопередающие устройства, в частности, мобильные телефоны, не оказывают влияния на организм человек: эксперименты показывают отсутствие негативного влияния на организм человека.
Облучение высокомощных станций, например, радиолокаторов и базовых станций, на определенных частотах вредно в непосредственной близости от источника и может вызывать недомогания. В остальном подтвержденной информации нет.
Что будет, если значительно увеличить мощность Qi-подобной зарядки? Очевидно, все зависит от конкретных параметров тока: силы, напряжения и частоты.
Их правильный подбор осуществить можно, но из-за человеческой глупости всегда можно получить внештатную ситуацию.
А вот излюбленный гиками «метод передачи тока Теслы» прекрасно выбивает автоматы, портит технику: резонанс частоты неизбежен.
Впрочем, и тут нужно только правильно подобрать параметры для исключения взаимодействия. И надеяться, что неподходящая под новый стандарт техника не окажется между зарядкой и заряжаемым устройством.
5. Чем больше источников тока, тем менее предсказуемы последствия
Наконец, ещё одна нерешенная физическая проблема: суперпозиция электромагнитных полей. Чем больше зарядных устройств и их мощность, тем дальше и больше распространяются их волны.
В какой-то момент они начнут взаимодействовать. Это не кажется проблемой, на первый взгляд.
Ровно до тех пор, пока кто-нибудь не решит поставить пару зарядок рядом, сместив вектор распространения на что-то чувствительное к электромагнитному полю.
Этим «чем-то» может быть устройство связи, кардиостимулятор, станция связи и любое другое электронное устройство.
Проблема не в том, что оно попадёт под действие одного источника — теоретически, даже мощные беспроводные зарядки можно спроектировать так, чтобы не мешать электронике.
Но при наложении волн друг на друга получится неизвестная величина, которую сложно предсказать. Нужен ли такой риск?
Кстати, судя по слухам именно это «убило» беспроводную зарядку AirPower от Apple, которая могла нести 32 катушки (слаботочных!).
«Со временем эти гармоники суммируются и в воздухе появляются очень мощные сигналы, — поясняет — А это может представлять сложность — к примеру, такое излучение может остановить чей-нибудь кардиостимулятор, если будет достаточно мощным. Или замкнуть чей-нибудь слуховой аппарат».
Уильям Лампкинс, технический вице-президент O & S Services
Если от аппарата Apple гармоники разлетались во все стороны, возможно, AirPower не смог пройти тесты регуляторов США или ЕС.
6. Для каждого устройства нужна своя зарядка
Та же проблема с позиционированием электромагнитных катушек в итоге ведёт к следующей — отсутствие единого стандарта в отрасли.
Компании договорились использовать слаботочную Qi-технологию и унифицировали устройства. Но то Samsung, то Xiaomi выпускают модели, которые не работают с чужими зарядками на полной скорости.
Высокомощная беспроводная зарядка Xiaomi, представленная пару месяцев назад, работает только при точном попадании на базу.
И заряжает быстро батарею только до 50%, снижая мощность в последствии с 80 до 20 Вт. Причем, даже на максимальной «скорости» эффективность составляет только 65 Вт.
Эта зарядка не работает «на пониженных оборотах» с другими смартфонами — катушки имеют другой размер. По той же причине стандартные Qi-зарядки «раскачиваются» с соответствующим Mi 11 Ultra только до 10 Вт.
Нужен единый стандарт процесса, иначе инфраструктура будет работать только для одного производителя.
Даже в отношении смартфонов пользователю это не выгодно. А что говорить об автомобилях?
Особенно когда существующие прототипы от Momentum Dynamic обещают невероятные невозможные 100% КПД?
7. Придётся модернизировать энергоснабжение всего мира
Наконец, существует ещё одна причина, о которой любят вспоминать только противники электромобилей. Существующий мир уже опутан проводами определенного сечения, разработанными электросетями и обустроенными электростанциями.
Любое резкое повышение потребления электроэнергии требует серьезной модернизации.
В российских новостройках промышленных городов это почти незаметно. Но представьте: в Лондоне ещё существуют дома с «пробками», запитанные от тонких линий вековой давности. Сохранились целые улицы, запитанные при личном участие Вестингауза в начале прошлого века.
А тут предлагается не просто использовать повсеместно электричество, но делать это с низким КПД, огромными тепловыми потерями.
Большинство городов к этому не готово. Потому что беспроводную зарядку все равно нужно чем-то питать — и эту линию придётся сделать ОЧЕНЬ толстой, увеличив и выработку энергии.
То есть потребуется на 50% больше ветряков, солнечных панелей — или ещё одна ТЭЦ, поскольку они плохо масштабируются.
Но ведь прототипы уже существуют? Прогресс не остановить!
Как ни странно, в странах, где актуален научный подход и правит сухой математический анализ, отношение к «зеленому электричеству» и его беспроводной передаче своеобразное.
Так, министерство промышленности и информационных технологий Китая вынесло некоторое время назад на обсуждение «Временное постановление о радиоуправлении устройств беспроводной зарядки (передачи энергии)».
В нем предлагается с 1 января 2022 года запретить производство, импорт, продажу и использование беспроводных зарядных устройств мощностью более 50 Вт. Вероятно, документ уже вступил в действие.
Несмотря на обилие стартапов, обещающих дешёвую технологию передачи электричества без проводов на расстоянии, реальный продукт не выпускает никто.
Стоит задуматься, ведь первые рабочие прототипы беспилотников, снабжаемых питанием с земли лазерным лучом были успешно испытаны в 2007–2009 годах.
Относительно успешными оказываются только стартапы, предлагающие менять всю инфраструктуру. Как думаете, много стран сможет приобрести дорогу с беспроводной зарядкой от Electreon?
Тем более, что вопросов к эксплуатации этой технологии не меньше, чем к Николе Тесла.
Одно пока можно сказать с уверенностью: когда решатся все существующие НО, мир ждёт новая техническая революция. И это будет совсем другой мир.
