Потери на излучение? Избавимся от него

Беспроводную передачу энергии (БПЭ) используют для зарядки аккумуляторов любых электронных устройств: смартфонов, ноутбуков, зубных щеток и даже электромобилей, — без какого-либо физического соединения с источниками питания. В таких системах есть два типа потерь: обусловленные материалом зарядной станции и излучением.

Именно поэтому особое внимание ученых в оптике и нанофотонике привлекают безызлучательные источники энергии. Они не излучают энергию в дальнее поле, но в то же время обеспечивают сильное ее удержание в ближнем. В основе таких устройств может лежать анапольное состояние частиц, при котором они «невидимы» для электромагнитных волн.

В прошлогоднем исследовании Нового физтеха, проведенном совместно с научными группами из Китая, Германии и Австралии, ученые постарались избавиться от потерь на излучение передатчика и приемника, чтобы повысить эффективность БПЭ. Предлагаемая ими безызлучательная система беспроводной передачи энергии позволяет передавать заряд без рассеивания в окружающую среду. В данном случае гибридное анапольное состояние возникает в результате деструктивной интерференции полей, которые генерируют разные части источника. Это наложение волн и «гасит» излучение системы.

«Мы с коллегами предположили, что использование неизлучающих источников в системе БПЭ ближнего поля повысит ее эффективность, поскольку энергия не будет теряться в виде излучения. Сначала мы исследовали безызлучательный источник на основе гибридного анапольного состояния с полным подавлением излучения. Затем экспериментально изучили и продемонстрировали эффективную беспроводную систему на их основе», — говорит соавтор статьи, аспирант Нового физтеха Эсмаил Занганех.

Сначала ученые исследовали предлагаемую ими конструкцию численно и теоретически, а затем для подтверждения результатов моделирования изготовили прототип. Эксперименты показали, что беспроводная система, состоящая из двух неизлучающих источников (передатчика и приемника), может достичь эффективности в 92 % за счет устранения потерь. Это значение выше максимального КПД аналогов.

Неудобства в использовании? Исправим

В случае неизлучающих источников передатчик может заряжать только одно устройство единовременно, что не очень удобно в повседневной жизни. Системы же БПЭ «один-ко-многим» способны с помощью одного передатчика заряжать сразу несколько устройств одновременно. Для этого очень важна равномерность создаваемого излучателем магнитного поля. Она обеспечивает одинаковую эффективность передачи энергии независимо от того, в каком месте зарядки расположено устройство. Это делает системы БПЭ более удобными в применении и дают пользователю больше свободы. Беспроводные зарядки, которые есть сейчас на рынке, этим похвастаться не могут.

«Магнитное поле создается токами, протекающими в проводниках, из которых состоит наш резонатор. Таким образом, управляя распределением токов в пространстве, мы можем управлять и распределением магнитного поля. Мы улучшили равномерность поля также и за счет того, что отказались от полностью заполненного диэлектриком резонатора (в нем накапливается энергия — прим. автора), который был в наших прошлых прототипах. В этот раз мы только частично заполнили его диэлектриком с высокой проницаемостью», — объясняет первый автор статьи, аспирант Нового физтеха Павел Смирнов.

Научная группа, в которой состоит Павел, уже несколько лет работает над концепцией системы БПЭ под названием «умный стол». В ней в качестве передатчика используют резонатор на основе метаповерхности, а реализована она по типу «один-ко-многим». С каждым годом ученые становятся все ближе к созданию реального продукта, который можно было бы вывести на рынок.

Из-за того, что электромагнитные свойства метаповерхностей можно настраивать на каждом метаатоме, их применение позволяет более гибко управлять распределениями магнитного и электрического полей, чем это позволяют сделать классические плоские катушки индуктивности, которые сейчас используют для БПЭ. За счет метаповерхностей удается значительно улучшить характеристики устройств: например повысить эффективность, безопасность и максимальное расстояние, на которое будет передаваться заряд.

«В прошлых версиях передатчика мы использовали резонатор из перекрещенных проводов, погруженных в воду — материал с высокой диэлектрической проницаемостью, позволивший снизить рабочую частоту резонатора. Такая конструкция сложна в изготовлении и не очень практична, поэтому сейчас вместо воды мы используем твердый диэлектрик — керамические композитные материалы. За счет них мы решили сразу несколько задач. Во-первых, такой материал позволил обеспечить компактность передатчика и повысить его практичность. Во-вторых, оптимизировав размеры керамических вставок и их проницаемость, мы можем более точно настраивать рабочую частоту», — рассказывает Павел Смирнов.

Особую опасность в системах БПЭ представляет сильное электромагнитное излучение, которое создает передатчик: оно оказывает тепловое воздействие на любые биологические объекты и, если они находятся слишком близко к устройству, может привести к перегреву тканей. В своей работе исследователи ИТМО снизили тепловое воздействие в 30 раз по сравнению с обычной катушкой индуктивности. Это значит, что теперь можно безопасно передать в 30 раз больше энергии.

«Возможно, конкретно этот дизайн “умного стола” не получится запустить в массовое производство — используемая керамика довольно дорогой материал. Однако сейчас наша группа активно разрабатывает зарядные станции на основе другой метаповерхности, более простой в изготовлении. С ее помощью мы уже реализовали зарядку маломощных устройств. Когда завершится этот проект, мы пойдем в сторону увеличения мощностей. Я думаю, что в течение ближайших пары лет мы сможем заряжать телефоны и начнем коммерциализировать наработки», — отмечает Павел Смирнов.

Подробнее об исследованиях: E. Zanganeh, M. Song, A. C. Valero, A. S. Shalin, E. Nenasheva, A. Miroshnichenko, A. Evlyukhin, and P. Kapitanova, Nonradiating sources for efficient wireless power transfer (Nanophotonics, 2021) и P. Smirnov, P. Kapitonova, E. Nenasheva, and M. Song, Compact Hybrid Metasurface-Inspired Resonator With Uniform Magnetic Field Distribution for Wireless Power Transfer (IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2022).