فروشگاه کانواس (بوم مدل کسبوکار) آرباکو

چکیده

وقتی که می‌توان یک روز میزهای آشپزخانه‌ای بدون سیم‌های شارژ داشت، محققان سیستمی را ابداع کرده‌اند که با تبدیل بالقوه کل ساختمان‌ها به مناطق شارژی بی‌سیم، الکتریسیته را در هوا منتقل کند.

موضوع اصلی

در حرکتی که می‌تواند یک روز سنگ‌های آشپزخانه‌های جهان را از دست سیم‌های شارژر، خلاص کند، محققان دانشگاه میشیگان و دانشگاه توکیو، سیستمی را ابداع کرده‌اند که با تبدیل کل ساختمان به مناطق شارژی بی‌سیم، با امنیت کامل نیرو را در هوا منتشر می‌کنند.

این تکنولوژی که در مطالعه جدیدی به‌تفصیل در ژورنال Nature Electronics منتشر شده است، می‌تواند با استفاده از میدان‌های مغناطیسی 50 وات نیروایجاد کند.

مؤلف مطالعه، آلانسون سمپل (Alanson Sample)، استاد مهندسی و علوم کامپیوتر دانشگاه میشیگان می‌گوید که علاوه بر آزادکردن تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها، این تکنولوژی می‌توانست دستگاه‌های پزشکی کاشته شده (ایمپلنت) را روشن کند و برای ربات‌های متحرک و سیار در منازل و اماکن تولیدی نیز امکانات جدیدی را فراهم نماید. تیم حتی روی کارکرد سیستم در فضاهای کوچک‌تر از سایز اتاق کار می‌کنند، مانند جعبه ابزاری که ابزار داخلش را شارژ می‌کند.

سمپل (Sample) می‌گوید: "این سیستم واقعاً نیروی دنیای همه‌جا کامپیوتری را بالا می‌برد (شما می‌توانستید یک کامپیوتر را بدون اینکه نگران شارژ یا برق آن باشید در همه‌جا بگذارید). کاربردهای کلینیکی زیادی نیز وجود دارد؛ به طور مثال ایمپلنت‌های امروزی قلب، نیاز به سیمی دارند که از پمپ درون بدن تا یک منبع نیروی خارجی کشیده می‌شود. این موضوع می‌توانست سبب کاهش ریسک عفونت و بهبود کیفیت زندگی بیماران شود."

تیم محققان دانشگاه توکیو این تکنولوژی را در یک اتاق تست آلومینیومی، ساخته شده برای این منظور، با ابعاد تقریبی 10 فوت در 10 فوت اثبات کردند. آن ها لامپ‌ها، هواکش‌ها و موبایل‌ها را بدون سیم روشن کردند که می‌توانست علی‌رغم وجود افراد و مبلمان، جریان را از هر جای اتاق بگیرد.

محققان می‌گویند این سیستم نسبت به تلاش‌هایی که درگذشته برای سیستم‌های شارژ بدون سیم انجام می‌شده یک بهبودی مهمی به‌حساب می‌آید که از پتانسیل تشعشع مخرب ماکروویو استفاده کرده یا به دستگاه‌هایی نیاز دارد تا در پدهای شارژی قرار بگیرد. در عوض از یک سطح رسانا در دیوارهای اتاق و از یک‌قطب رسانا برای تولید میدان‌های مغناطیسی، استفاده می‌کند.

دستگاه‌ها میدان مغناطیسی را با سیم‌پیچ‌های سیمی مهار می‌کنند به‌طوری‌که می‌توانند در قطعات الکترونیکی مثل موبایل‌ها گنجانده شود. محققان می‌گویند این سیستم می‌توانست به‌راحتی با سازه‌های بزرگ‌تری مانند کارخانه‌ها یا انبارها مقیاس‌بندی گردد درحالی‌که هنوز راهبردهای ایمن موجود برای اینکه در معرض میدان‌های الکترومغناطیسی قرار بگیرد برآورده نشده‌اند.

محقق دانشگاه توکیو و مؤلف مکاتبه‌ای این مطالعه، تاکویا ساساتانی (Takuya Sasatani) گفت: "اجرای سیستم‌هایی مثل این در ساخت‌وسازهای جدید راحت‌ترین کار می‌باشد، ولی من فک می‌کنم اصلاح و بهبود طرح و تجهیزات جایگزین نیز امکان‌پذیر خواهد بود. برخی ساختمان‌های تجاری به طور مثال در حال حاضر تیرک‌های فلزی دارند و باید بتوان یک سطح رسانا را روی دیوارها اسپری کرد، شاید شبیه به آن که در سقف‌های بافته شده انجام می‌شود باشند."

سمپل (Sample) گفت یک راه کلیدی که این سیستم‌ها کار کنند، ساخت یک سازه تشدید شده (رزونانس) بود که می‌توانست یک میدان مغناطیسی در سایز اتاق ایجاد کند درحالی‌که میدان‌های الکتریکی مضری را محدود می‌کند که می‌تواند بافت‌های بیولوژیکی را گرم کند.

راه‌حل این تیم استفاده از دستگاه‌هایی بنام خازن‌های فشرده (lumped capacitors) بود. خازن‌ها در حفرات دیوارها جای‌داده شده بودند، آن ها مادامی‌که میدان‌های الکتریکی داخل خود خازن‌ها را به دام می‌اندازند، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که در اتاق می‌پیچد. این وضع بر محدودیت سیستم‌های برق وایرلس قبلی غلبه می‌کند که یا با ایجاد مقدار زیاد نیرو در حد چند میلی‌آمپر محدود می‌شود یا با ایجاد مقدار بسیار کم نیرو در فواصل زیاد، محدود می‌شود.

مانع دوم چگونگی تولید یک میدان مغناطیسی بود که به هر گوشه اتاق می‌رسید (میدان‌های مغناطیسی تمایل دارند که با ایجاد نقاط کور در اتاق‌های مربعی شکل، دور الگوهای مدور بگردند). مضافاً اینکه رسیورها باید برای کشیدن نیرو به روش خاصی با این میدان هم‌تراز باشند.

سمپل (Sample) گفت: "کشیدن نیرو از هوا با یک سیم‌پیچ خیلی شبیه گرفتن پروانه با تور است. رمز این کار داشتن پروانه‌های زیادی است که در اطراف اتاق در جهات مختلف می‌چرخند. بدین ترتیب اهمیتی ندارد که تور شما کجا باشد یا مسیر معلومی را مدنظر داشته باشید، شما پروانه‌ها را می‌گیرید."

برای اینکه این اتفاق روی دهد، این سیستم دو میدان مغناطیسی جداگانه سه‌بعدی تولید می‌کند. یکی در یک دایره‌ای حول قطب مرکزی اتاق می‌گردد درحالی‌که دیگری با گشتن بین دیوارهای مجاور، در گوشه‌ها می‌چرخد. این رویکرد با دستگاه‌هایی که قادرند از هرجایی در فضا نیرو را بکشند، نقاط کور را از بین می‌برد.

تست روی ماکت‌های آناتومیکی نشان داد که این سیستم می‌توانست بدون اینکه از راهبردهای FCC در معرض انرژی‌های الکترومغناطیسی تجاوز نماید، حداقل 50 وات نیرو در هر مکانی در اتاق ایجاد کند. سمپل (Sample) گفت احتمال دارد این سیستم با اصلاح بیشتر، سطوح بالاتری از نیرو را ایجاد نماید.

محققان خاطرنشان می‌کنند که با اجرای این سیستم در محیط‌های تجاری یا مسکونی احتمالاً سال‌ها فاصله دارند. آن ها معمولاً این سیستم را در ساختمان‌هایی در محوطه دانشگاه میشیگان (U-M) تست می‌کنند. آن ها این کار را هم به‌عنوان یک جایگزین مجهز و هم به‌عنوان یک ساختمان جدید در یک سری از اتاق‌ها انجام دادند که از تکنیک‌های ساخت‌وساز استاندارد با تاریخ تکمیل آن در پاییز امسال، استفاده می‌کنند.

این تیم شامل یوشیهیریو کاواهارا (Yoshihiro Kawahara) استاد مهندسی برق و سیستم‌های اطلاعاتی دانشگاه توکیو (University of Tokyo) نیز می‌باشد. این تحقیق تحت حمایت آژانس تکنولوژی و علم ژاپن (Japan Science andTechnology Agency) و انجمن ترویج علم ژاپن (Japan Society for the Promotion of Science) می‌باشد.

منبع موضوع:

مواد و موضوعات توسط دانشگاه میشیگان (University of Michigan) تهیه شدند.

نکته: محتوا ممکن است از نظر سبک نگارشی و طول مطلب، ویرایش شده باشد.

ژورنال مرجع:

تاکویا ساساتانی (Takuya Sasatani)، آلانسون پ. سمپل (Alanson P. Sample)، یوشیهیریو کاواهارا (Yoshihiro Kawahara).

انتقال نیرو مغناطیسی شبه استاتیکی وایرلس در مقیاس اتاق به‌وسیله تشدیدکننده‌های چندحالته مبتنی بر حفره

Room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer using a cavity-based multimode resonator

ژورنال Nature Electronics، 2021؛ DOI: 10.1038/s41928-021-00636-3