Volar cap al futur.

Imaginar que és l'any 2050 i s'està en un vol transcontinental en un tipus nou d'avió que vola sense combustible. 

L'avió s'enlaira i s'eleva sobre l'aeroport però, en comptes d'ascendir fins a l'altitud de creuer,  l'avió es nivella i els motors es redueixen la seva potencia i llavors apareix una gran antena mitjançant la qual, s'està emetent una potent radiació electromagnètica apuntant cap a la part inferior de l'avió. 

Un cop captada aquesta energia, els motors tornen operarper que l'avió continui el seu ascens. Durant diversos minuts, el raig proporcionarà just la suficient energia per arribar a la següent antena terrestre situada a uns altres 200 km.

Avui diam encara no hi s'ha desenvolupat cap tipus d'emmagatzemar energia tan barata i densa com els combustibles fòssils, o satisfer completament les necessitats del transport aeri comercial tal com el coneixem. Així que, què passaria si renunciéssim a emmagatzemar tota l'energia a bord i en canvi la transmetéssim des de terra? 

Per a la font d'energia sense fils, probablement caldria utilitzar microones perquè aquest tipus de radiació electromagnètica passi sense problemes a través dels núvols i perquè els receptors dels avions puguin absorbir-la completament, amb gairebé cap risc per als passatgers.

Per alimentar un avió en moviment, la radiació de microones hauria de ser enviada en un raig estret i direccionable. Això es pot fer utilitzant tecnologia coneguda que s'utilitza habitualment per dirigir raigs de radar. Amb suficients antenes distribuides pel planta i treballant juntes, una xarxes en fase es pot configurar per enfocar energia en un punt a una certa distància, com ara l'antena receptora d'un avió.

Les xarxes en fase treballen sobre el principi d'interferència constructiva i destructiva. La radiació dels elements de l'antena, per descomptat, se solapa. En algunes direccions les ones radiades interferiran destructivament i s'anul·laran mútuament, i en altres direccions les ones coincidiran perfectament en fase, sumant-se constructivament. On les ones se solapen constructivament, l'energia radia en aquesta direcció, creant un raig de poder que es pot dirigir electrònicament.

La distància a la qual podem enviar energia en un raig estret amb una xarxa en fase està governada per la física, específicament, pel límit de difracció. Hi ha una manera simple de calcular el cas òptim per a l'energia transmès: D1 * D2 > λ * R. En aquesta desigualtat matemàtica, D1 i D2 són els diàmetres de les antenes emissora i receptora, λ és la longitud d'ona de la radiació, i R és la distància entre aquestes antenes.

Per exemple, per esbrinar la mida que ha de tenir l'antena transmissora (D1). La mida de l'antena receptora a l'avió què és probablement el factor més limitant. Un avió de mida mitjana té una àrea d'ala i cos d'uns 1.000 metres quadrats, la qual cosa hauria de proporcionar l'equivalent a una antena receptora de 30 metres d'ample (D2) integrada a la part inferior de l'avió.

La distància necessària per transmetre l'energia en línia de visió per a un avió a altitud de creuer és d'uns 11 km, assumint que el terreny per sota és pla. Però, les muntanyes interferirien per tant caldri col·locar les antenes terrestres cada 200 km al llarg de la ruta de vol, cadascuna transmetent energia a la meitat d'aquesta distància. És a dir, posem R a 100 km.

Vídeo

Si, la longitud d'ona de les microones (λ) és de 5 cm, això proporciona una longitud d'ona que és massa petita per penetrar núvols i una que és massa per una antena receptora. Inserint aquests números a l'equació anterior, es mostra que en aquest escenari el diàmetre de les antenes terrestres (D1) hauria de ser d'almenys uns 170 metres. Això és gegantí, però potser no és inversemblant. 

Tot i que el que s'ha descrit és teòricament possible, a la pràctica només s'han transmès una fracció de la quantitat de potència necessària per a un avió comercial, i només ho han fet a distàncies molt més curtes.

La NASA ostenta el rècord d'un experiment realitzat el 1975, quan va transmetre 30 kW de potència a 1,5 km amb una antena de la mida d'una casa. Per aconseguir aquesta fita, l'equip va utilitzar un dispositiu analògic anomenat klystron. La geometria d'un klystron fa que els electrons oscil·lin d'una manera que amplifica les microones d'una freqüència particular, similar a com la geometria d'un xiulet fa que l'aire oscil·li i produeixi un to particular.

Els klystrons i els magnetrons de cavitat (dels forns microones ordinaris), són força eficients per la seva simplicitat. Però les seves propietats depenen de la seva geometria, per la qual cosa és difícil coordinar molts d'aquests dispositius per enfocar l'energia en un raig estret.

En els últims anys, els avenços en la tecnologia de semiconductors han permès que un únic oscil·lador impulsi un gran nombre d'amplificadors d'estat sòlid amb una coordinació de fase gairebé perfecta. Això ha permès enfocar les microones molt més precisament que abans, facilitant una transferència d'energia més precisa a distàncies més llargues.

El 2022, la startup amb seu a Auckland Emrod va mostrar  que podria ser possible  aquest enfocament amb semiconductors. Dins un gran hangar a Alemanya propietat d'Airbus, els investigadors van transmetre 550 W a través de 36 m i van mantenir més del 95% de l'energia en un raig estret, molt millor que el que es podia aconseguir amb sistemes analògics.

El 2021, el Laboratori de Recerca Naval dels EUA va demostrar que aquestes tècniques podien gestionar nivells de potència més alts quan va enviar més d'un quilowatt entre dues antenes terrestres a un quilòmetre de distància. Altres investigadors han energitzat drons en vol, i alguns grups fins i tot tenen la intenció d'utilitzar xarxes en fase per transmetre energia solar des de satèl·lits a la Terra.

Resum de l'article: Powering Planes With Microwaves Is Not the Craziest Idea