Els cables elèctrics són necessaris per transportar i distribuir el corrent elèctric, però tenen els seus inconvenients.
Els cables també plantegen reptes a les empreses de transport i distribució elèctrica ja que per incrementar la seva capacitat de distribuir energia, o be han de incrementar la secció del conductors o elevar el nivell de tensió. Per aplicacions ferroviàries han de combina el desgast de la fricció del sistemes pantògrafs amb el cable de la catenària.
Hi ha interès en poder resoldre com transferir l'energia elèctrica sense cables no fils, de fet és testimonial l'adopció generalitzada durant l'última dècada de la càrrega sense fil, sobretot per a l'electrònica de petit consum portable, però també per a la càrrega/descàrrega dels vehicles elèctrics. Tot i que un carregador sense fil estalvia haver de connectar i desconnectar cables, la distància a la qual es pot transferir energia elèctrica d'aquesta manera és força curta. De fet, és difícil recarregar o alimentar un dispositiu quan els separen uns quants centímetres, molt menys, quan són uns quants metres.
La noció de la transmissió d'energia sense fils, ens porta a imatges de Nikola Tesla amb les bobines d'alta tensió que atreien llamps. De fet, Tesla havia perseguit la idea d'utilitzar d'alguna manera el sòl i l'atmosfera com a conductor per a la transmissió d'energia a llarga distància, una idea que no va prosperar. Però el somni d'enviar energia elèctrica a grans distàncies sense cables encara perdura.
Per altre banda, en Guglielmo Marconi, que va ser el contemporani de Tesla, va descobrir com utilitzar les ones electromagnètiques per enviar senyals a llargues distàncies. I aquest avenç va comportar la possibilitat d'utilitzar el mateix tipus d'ones per transportar l'energia d'un lloc a un altre. Però, avui es pot aprofitar la mateixa física bàsica per substituir els cables?
Durant l'últim segle hi han hagut treballs esporàdics per utilitzar ones electromagnètiques com a mitjà de transport d'energia sense fils, però aquests intents han donat resultats contradictoris. Potser l'any daurat per a la investigació sobre el transport d'energia sense fils, va ser el 1975, quan William Brown, que treballava per a Raytheon , i Richard Dickinson del Jet Propulsion Laboratory de la NASA van utilitzar microones en el laboratori per transportat potència amb una eficàcia superior la 50 %. En una altre demostració independent, van poder lliurar més de 30 kW en una distància aproximada de 1,5 km.
Aquestes demostracions formaven part d'una campanya la NASA i el Departament d'Energia dels Estats Units per explorar la viabilitat dels satèl·lits d'energia solar, que, segons es va proposar, un dia recollirien la llum solar a l'espai i la transmetrien cap a la Terra en forma de microones. Però com que aquesta línia d'investigació va estar motivada en gran part per la crisi energètica dels anys setanta, l'interès pels satèl·lits d'energia solar va disminuir en les dècades següents, almenys als Estats Units.
Tot i que amb certa regularitat es segueix revisant la idea, les demostracions per emetre energia elèctrica de gran potencia que actualment es fan els cal lluitar per millorar la marca d'eficiència, distància i nivell de potència assolit el 1975. Però això, comença a canviar gràcies a diversos avenços recents en tecnologies de transmissió i recepció.
La majoria dels primers intents per transmetre potència elèctrica es van limitar a a banda de freqüències de microones, la mateixa part de l'espectre electromagnètic que avui està el Wi-Fi, el Bluetooth i altres senyals sense fils. Aquesta elecció va ser, en part, impulsada pel simple fet que es disposava d'equips eficients de transmissió i recepció de microones.
Però hi ha hagut millores en l'eficiència i una major disponibilitat de dispositius que operen a freqüències molt més altes. A causa de les limitacions que imposa l'atmosfera a la transmissió efectiva d'energia dins de determinades bandes de l'espectre electromagnètic, es segueix centrat en les freqüències de microones, ones mil·límetres i òptiques. Tot i que les freqüències de microones tenen un lleuger avantatge pel que fa a l'eficiència, requereixen antenes més grans. Així, per a moltes aplicacions, els enllaços d'aquestes ones funcionen millor.
Per als sistemes que utilitzen les microones, els transmissors solen emprar amplificadors electrònics d'estat sòlid i antenes de matriu en fase, parabòliques o metamaterials. El receptor de microones utilitza una sèrie d'elements anomenats rectennes (rectificador+antena) els quals reflecteix a cada element per convertir les ones electromagnètiques en electricitat de corrent continu.
Qualsevol sistema dissenyat per a la transmissió d'energia òptica probablement utilitzaria un làser, un amb un feix estret, com ara un làser que apunta a la fibra. Els receptors per a la transmissió d'energia òptica són cel·les fotovoltaiques dissenyades per convertir una sola longitud d'ona de llum en energia elèctrica amb una eficiència molt alta. De fet, les eficiències poden superar el 70 % que ve a ser el mateix a més del doble de la d'una cel·la solar típica.
Pensar que un dispositiu envií grans quantitats d'energia a través de l'aire en un feix estret pot fer pensar que esdevindrà com un raig mortal. Tècnicament són possibles diferents densitats de potència, que van des de massa baixes per ser útils fins prou altes per ser perilloses. Però també és possible trobar un punt òptim entre aquests dos extrems. PowerLight Technologies, ha estat desenvolupant sistemes de raigs d'energia basats en làser.
Una espectacular demostració va ser la de l'empresa Lighthouse Dev el 2012. Per subratllar com de segur era el sistema, l'amfitrió del programa científic de la BBC "Bang Goes the Theory" va ficar la cara completament en un feix de potència enviat entre edificis de la Universitat de Maryland. Aquesta demostració, va aprofitar el fet que algunes longituds d'ona infraroja són més segures per als ulls que altres parts de l'espectre.
Aquesta estratègia funciona per a sistemes de potència relativament baixa. Però a mesura que s'augmenta el nivell, és possible assolir densitats de potència que generen problemes de salut i seguretat independentment de la longitud d'ona utilitzada.
Tot i que s'enviava una potencia superior a 400 W a una distància de 300 m, el feix estava contingut dins d'un recinte virtual, en el qual, era possible detectar un objecte que violés la zona de seguretat i així desconnectar-ho per garantir la seguretat i evitar danys. Altres proves ja han demostrat com les distàncies de transmissió poden superar un quilòmetre.
Les proves acurades (per a les quals no es van utilitzar amfitrions de programes científics de la BBC) van verificar a la nostra satisfacció la funcionalitat d'aquesta funció, que també va superar la reunió amb la Junta de revisió de seguretat làser de la Marina. Durant la nostra demostració, el sistema es va demostrar encara més quan, en diverses ocasions, els ocells van volar cap al feix, apagant-lo, però només momentàniament. Ja veieu, el sistema controla el volum que ocupa el feix, juntament amb el seu entorn immediat, permetent que l'enllaç elèctric es restableixi automàticament quan el camí torni a quedar clar. Penseu en això com una versió més sofisticada d'un sensor de seguretat de la porta del garatge, on la interrupció d'un feix de guàrdia activa el motor que fa que la porta s'apagui.
Altres demostracions, han fet possible que observadors i assistents puguin caminar entre l'emissor i el receptor sense necessitat de portar ulleres de seguretat ni prendre cap altra precaució. Això és perquè, a més de dissenyar el sistema perquè es pugui apagar automàticament, hem tingut cura de considerar els possibles efectes dels reflexos del receptor o de la dispersió de les partícules suspeses a l'aire de la llum al llarg del recorregut del feix.
Certament, els 400 W que es van poder transmetre no són un valor significatiu, però van ser suficients per fer un cafè amb aigua calenta.
El proper objectiu és aplicar la transmissió de potència, amb mesures de seguretat totalment integrades, a les plataformes mòbils. Per això, s'espera augmentar la distància recorreguda i la quantitat d'energia subministrada.
Altres governs, empreses establertes i startups d'arreu del món estan treballant per desenvolupar els seus propis sistemes de transmissió de potència. El Japó ha estat durant molt de temps un líder en radiació de microones i làser.
A nivell d'electrònica de consum, hi ha molts jugadors: Powercast, Ossia, Energous, Guru i Wi-Charge entre ells. El gegant tecnològic Huawei, espera en un 20 anys, poder transmetre per fer possible la càrrega de telèfons intel·ligents.
Per a aplicacions industrials, empreses com Reach Labs , TransferFi , MH GoPower i MetaPower estan avançant en l'ús de la potència per resoldre l'espinós problema de mantenir les bateries per a robots i sensors, als magatzems i en altres llocs, a punt per funcionar. A nivell de xarxa, Emrod i altres intenten escalar la potència a noves altures.
Pel que fa a l'R+D, el nostre equip va demostrar durant l'any passat una transmissió segura d'energia sense fil de microones d' 1,6 quilowatts a una distància d'un quilòmetre. Empreses com II-VI Aerospace & Defense , Peraton Labs , Lighthouse Dev i altres també han fet avenços impressionants recentment. Avui dia, startups ambicioses com Solar Space Technologies , Solaren , Virtus Solis i altres que operen en mode furtiu estan treballant dur per ser les primeres a aconseguir una potència pràctica des de l'espai a la Terra.
A mesura que aquestes empreses estableixen un historial provat de seguretat i presenten arguments convincents per a la utilitat dels seus sistemes, és probable que vegem arquitectures completament noves per enviar energia d'un lloc a un altre. Imagineu-vos drons que poden volar durant períodes indefinits i dispositius elèctrics que mai s'han de connectar, mai, i poder proporcionar energia a la gent de qualsevol part del món quan els huracans o altres desastres naturals assolen la xarxa elèctrica local. Reduir la necessitat de transportar combustible, bateries o altres formes d'energia emmagatzemada tindrà conseqüències de gran abast. No és l'única opció quan no es poden encadenar cables, però els meus companys i jo esperem, dins del conjunt de tecnologies possibles per subministrar electricitat a llocs llunyans, que la radiació de potència brilli, literalment.
Font: Paul Jafee (IEEE)
