Одалживая у кого-то зарядку для телефона или планшета, мы часто сталкиваемся с тем, что у разных производителей отличаются разъемы зарядного устройства. Как ни удивительно, технологии беспроводной зарядки устройств эту проблему не решили: компании используют отличные друг от друга системы передачи энергии, работающие на разных частотах.
«В мире существуют разные стандарты беспроводной передачи энергии, которые работают на разных частотах, поэтому бывает очень неудобно, когда хочется зарядить устройства от разных производителей, но они поддерживают разные стандарты, ― рассказывает Полина Капитанова, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО. ― К примеру, компания Huawei использует беспроводную передачу энергии для телефонов на одной частоте, а для "умных" очков ― на другой, поэтому одним устройством их зарядить не получится».
На путь к универсальности
Это сложно назвать удобным. Поиском технологии для универсальных беспроводных заряжающих поверхностей сейчас заняты многие исследовательские команды ― одна из них базируется в Санкт-Петербурге, на физико-техническом факультете Университета ИТМО.
Петербургским ученым удалось создать концепцию системы, которая сможет передавать энергию на нескольких частотах, причем как поочередно, так и одновременно ― в зависимости от потребностей пользователей конкретной платформы.
«Фактически мы предлагаем новую метаповерхность, которую можно использовать в качестве передатчика в составе системы беспроводной передачи энергии для зарядки нескольких устройств, ― поясняет Полина Капитанова. ― Эта поверхность может работать как на одной частоте, так и на нескольких частотах одновременно».
Как это работает?
Ученые Университета ИТМО используют резонансный метод передачи энергии без проводов. Зарядка в этом случае происходит за счет того, что зарядное и заряжаемое устройства настроены на одну и ту же резонансную частоту и вступают во взаимодействие, оказавшись рядом. При этом объекты, имеющие другую резонансную частоту, невосприимчивы к создающемуся электромагнитному полю.
Предложенная метаповерхность состоит из расположенных особым образом проводников, соединенных между собой емкостными элементами или, иначе говоря, конденсаторами, которые как раз и подстраиваются под нужную частоту. Эта структура может покрывать большую площадь, за счет чего материал может быть использован в качестве поверхности для стола или тумбы, превратив их в огромные зарядные устройства для гаджетов.
«Оказалось, что эта структура обладает уникальными свойствами, в том числе обратной частотной дисперсией, что можно выгодно использовать для беспроводной передачи энергии, ― объясняет Полина Капитанова. ― У этой структуры есть несколько мод (резонансных частот), которые обладают равномерным магнитным полем, за счет которого энергия может быть передана беспроводным методом. При этом электрическое поле "прячется" на краях структуры, в конденсаторах, что позволит увеличить безопасность для человека».
«Умный стол» ИТМО
Новая разработка является частью перспективной концепции «умного» стола, над которой работают ученые Нового физтеха Университета ИТМО. Пока исследователи создали прототип метаповерхности и исследовали ее свойства на разных частотах .
«В статье мы показываем демо, когда мы располагаем над метаповерхностью несколько приемных резонаторов, нагруженных на светодиоды, работающих на разных частотах, ― рассказывает научный сотрудник физико-технического факультета Минчжао Сун. ― Светодиоды горят вне зависимости от взаимного расположения приемников ― это значит, что энергия передается».
Теперь ученым предстоит оценить уровень снижения электрического поля для обеспечения безопасности зарядки, а также потенциальную скорость зарядки гаджетов.
«На данный момент мы рассматриваем эту разработку скорее не как скоростную зарядку, словно ты быстро пришел и зарядил. Скорее, это стол или какая-то подкладка, которая позволит не тратить заряд гаджетов, пока они лежат в покое, а даже, напротив, их заряжать. Например, вы приходите с коллегами в ресторан, обедаете, а пока телефоны лежат на столе, они подзаряжаются», ― заключает Минчжао Сун.
Статья: Mingzhao Song, Pavel Smirnov, Ekaterina Puhtina, Esmaeel Zanganeh, Stanislav Glybovski, Pavel Belov, Polina Kapitanova, Multi-mode metamaterial-inspired resonator for near-field wireless power transfer, Appl. Phys. Lett. 117, 083501 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0012006.
