宛如電流之父特斯拉微型實驗,日本科學家將房間變電場

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 31 日 10:53 | 分類 能源科技 , 自然科學 , 電力儲存 Telegram share ! follow us in feedly


20 世紀初,發明家特斯拉 (Nikola Tesla) 傾盡財力,想要透過電離層的電磁波,向地球任何地方發送無線電能,雖然最終沒有成功,但他提供在大空間傳輸電力的想像。東京大學與密西根大學科學家正在進行微型特斯拉實驗,將房間變成自動替所有電子設備充電的無線充電室,為未來無線充電世界鋪路。

雖然現在市面有許多無線充電產品,但都只是噱頭,充電器需要電線,充電角度還有諸多限制。人類還沒有嘗到真正無線的自由,近年許多新創公司提出解決方案,從使用從天花板模組發出的紅外光束到安裝在類似 Roomba 漫遊機器人的高頻無線電波發射器,但東京大學與密西根大學科學家的發明更引人矚目,他們利用電流產生的電磁場,將整個金屬房間變成無線充電器。

團隊由東京大學科學家領導,打造一個 3×3×2 公尺房間,地板、天花板和牆壁都由鋁片金屬外殼電容器製成,電容器透過地板、天花板和牆壁傳輸電流,產生在房間內迴盪的磁場,配備小型線圈接收器的設備可利用磁場供電,且無論設備位置如何,都可從房間汲取電流。

這項發明克服以前無線電力系統距離的局限性,研究人員表示,系統可輕鬆擴展到工廠或倉庫等更大結構,同時仍滿足現有的電磁場暴露安全準則。發明克服的第二個障礙是死角問題。由於磁場是以圓形模式傳播,在方形房間會產生死角,此外,接收器需要以特定方式與電場對齊才能捕獲電流。

研究人員想到的解決方式是建立共振結構。研究人員表示,「用線圈在空中汲取電力就像用網捕捉蝴蝶,訣竅是讓盡可能多蝴蝶在房裡以最多方向旋轉。這樣無論網在哪裡或指向哪個方向,都會捉到蝴蝶。」

為了實現這一點,系統會生成兩個獨立 3D 磁場,一個圍繞房間中心桿繞一圈,另一個在角落旋轉,在相鄰牆壁間穿行。這種方法消除死角,使設備能從空間任何地方汲取電力。至於一個房間大小的磁場是否傷害人體,根據實驗,系統可向房間任何位置提供至少 50 瓦功率,不會超出美國聯邦通信委員會 (FCC) 電磁能量暴露準則,但這方面還需要更多嚴謹研究才能確定。

除了實驗房間大小充電環境,科學家也針對工具箱大小環境建構充電模型。除了解除手機和筆電束縛,還可為植入型醫療設備提供動力,並為家用或工廠行動機器人開闢新應用可能性。

現在無線充電技術只到 2D。最基礎的一維充電環境是無線充電電動牙刷,牙刷必須位於充電器正確位置才能充電,手機可在充電版平面任何地方充電算 2D,3D 無線充電則是下個挑戰。

研究人員表示,最初應用可能很小,例如無線充電盒或機櫃,或可為不需太多電力的微型設備供電,在商業或住宅環境使用可能還需要數年,不過研究團隊已在密西根大學校園實體建築打造無線充電室,預計今年秋天就可完工。研究發表在《Nature Electronics》。

(圖片來源:東京大學)