Большинство работ по беспроводной передаче энергии основаны на явлении резонансной связи, при которой две медных катушки, настроенных на одну и ту же резонансную частоту, могут передавать друг другу энергию. При этом близлежащие объекты никак не поддаются влиянию излучения, поскольку они на эту частоту не настроены. Чтобы приуменьшить непредусмотренные взаимодействия, в системах беспроводной передачи энергии для связи катушек также используются магнитные поля, которые очень слабо взаимодействуют с большинством объектов, включая живые ткани.
Исследование, проведенное группой ученых лаборатории «Метаматериалы» под руководством Павла Белова, главного научного сотрудника и заведующего кафедрой нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, по сути, основано на том же принципе. Однако ученые внесли два существенных изменения, которые помогли улучшить характеристики системы беспроводной передачи энергии.
В первую очередь ученые заменили традиционные медные катушки сферическими диэлектрическими резонаторами из керамического материала с высоким значением вещественной части диэлектрической проницаемости. Это позволило свести потери энергии в металле к минимуму и добиться большей эффективности.
Вторым нововведением, позволившим снизить потери энергии, стало использование квадрупольного магнитного резонанса вместо стандартного в таких системах дипольного резонанса. Группа обнаружила, что на частоте квадрупольного резонанса система не только получает прирост в эффективности, но и становится устойчивой к изменению взаимной ориентации передатчика и приемника.
Возможность свободной ориентации резонаторов — важный шаг на пути к созданию более практичных беспроводных зарядных устройств. В настоящее время беспроводная зарядка подразумевает, что пользователь должен правильно разместить устройство на зарядной подставке. Работа системы на частоте квадрупольного резонанса, как выяснилось, не требует строго определенного расположения устройств.
«Пока это лишь первые результаты работы в этой области, но наша экспериментальная установка уже функционирует на расстоянии до 20 сантиметров при мощности в 1 Ватт», — рассказывает научный сотрудник лаборатории Полина Капитанова. — Сейчас мы работаем над производством и тестированием следующего прототипа системы беспроводной передачи энергии. В сотрудничестве с НИИ «Гириконд» мы уже разработали новые керамические резонаторы и занимаемся изготовлением прототипа. Мы уверены, что этот прототип максимально приблизит нас к практической реализации наших идей".
Эффективная технология беспроводной передачи энергии может поспособствовать появлению коммерческих систем, которые позволят владельцам заряжать электронные устройства без какого-либо физического контакта с зарядкой. Эффективность, достигнутая учеными, и возможность свободной ориентации резонаторов делают новую систему подходящей для подобных приложений.
Статья: Mingzhao Song, et al. «Wireless power transfer based on magnetic quadrupole coupling in dielectric resonators.» Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/1.4 939 789.
