Strøm uten støpsel

En mobil som lader uten ledning? Ja, det er mulig. Energien kan sendes trådløst med nye materialer.

Publisert
(Illustrasjonsbilde: www.colourbox.no)
(Illustrasjonsbilde: www.colourbox.no)

Nærfelt og fjernfelt

Det vekslende magnetiske feltet som utnyttes for å overføre energi, ligner på radiobølger.

Forskjellen er at radiobølger både har et magnetisk og et elektrisk felt, mens dette spesielle feltet ført og fremst er magnetisk.

Radiobølger er, som lys, elektromagnetiske bølger. De oppfører seg annerledes i nærfeltet ved senderantennen enn lenger unna.

Det er nærfeltet som utnyttes av forskerne fra Duke University.

I nærfeltet kan en mottaker trekke elektrisk energi direkte ut av senderen. Prinsippet utnyttes blant annet i en transformator.

Denne effekten avtar mye raskere med avstanden enn i fjernfeltet. Derfor er fokuseringen av energien så viktig.

I fjernfeltet har senderantennen allerede overført energien til et elektromagnetisk felt, som sprer seg som ringer i vann i alle retninger.

Mottakerantennen kan bare fange opp energien i feltet der den er, og har ingen mulighet til å ”suge” mer energi direkte ut av senderen.

Alle vanlige radiosendere og mottakere bruker fjernfeltet. Det gjelder altså både radio, fjernsyn, mobiltelefoner.
 

Forskere fra Duke University i USA har funnet ut hvordan elektromagnetisk energi kan overføres til ett punkt. Uten en slik fokusering ville energien spres i alle retninger, og mye ville gå til spille.

Slik energioverføring kan for eksempel brukes til å lade mobiltelefoner og bærbare PCer trådløst, heter det i en nyhetsmelding fra universitetet.

Spoler på avstand

- Prinsippet er ikke mystisk. Det ligner på måten de fleste elektriske tannbørster lades opp på, forklarer Johannes Skaar. Han er professor ved institutt for elektronikk og telekommunikasjon ved NTNU.

- Du setter tannbørsten ned i en holder. I holderen er det en spole, og i tannbørsten er det en spole. Til sammen virker de som en vanlig transformator. Strømmen overføres fra den ene spolen til den andre, i nærfeltet mellom dem, forklarer Skaar.

Men hvis du løfter tannbørsten opp av holderen, kommer spolene for langt fra hverandre. Tannbørsten lades ikke lenger. Dette problemet har forskerne fra Duke løst et stykke på vei.

Superlinse

De har forklart hvordan magnetismen i nærfeltet fra spolen kan fokuseres ved å utnytte  såkalt superlinse-teknologi.

Alle som har lekt med et brennglass i sola, har sett at linser kan samle solstråler i et fokuspunkt. Fokuspunktet blir varmt nok til å lage svimønstre i treverk.

Men magnetfelt kan ikke samles med brennglass. En superlinse er ikke laget av glass. Den er laget av små ledningsløyfer, tett i tett. Kunsten er å plassere disse sløyfene i et bestemt mønster. Dermed oppfører det vekslende magnetfeltet seg som om det møtte et merkelig materiale, som aldri kunne finnes naturlig.

Metamaterialer

Forskerne kaller slike materialer for metamaterialer. Det viktige med metamaterialer er ikke hvilket stoff de er laget av. Hemmeligheten ligger i strukturen, i mønsteret, hvordan de er formet. Det får dem til å oppføre seg tilsynelatende naturstridig.

I en vanlig linse brytes strålene i de krumme overflatene til glasset. I en superlinse brytes strålene inne i materialet på merkelige måter. Strålene kan speilvendes i forhold til en vanlig linse.

Og superlinsen kan tegne bildene mye skarpere, for eksempel i mikroskoper og teleskoper.

Øker avstanden

Når superlinsen fokuserer magnetfeltet, kan for eksempel tannbørsten eller mobiltelefonen fjernes opptil flere desimeter fra laderen. Strømmen kommer likevel fram til mottakerspolen.

- Det er også mulig å tenke seg at fokuspunktet kan flytte seg etter apparatet innenfor en viss radius. Det går an å styre retningen til superlinser elektrisk, sier Skaar.

- Ja, en slik styring er mulig, bekrefter den ledende forskeren bak studien, Yaroslav Urzhumov, i en epost til forskning.no.

- Men å styre strålen er ikke nødvendigvis den mest praktiske metoden for å oppnå dekning over et større område, fortsetter Urzhumov, som ikke kan gå mer i detalj fordi dette fortsatt er upublisert forskning.

Skadelig oppvarming

Johannes Skaar (Foto: NTNU)
Johannes Skaar (Foto: NTNU)

Men vil ikke disse kraftige magnetfeltene være farlige for mennesker som holder i tannbørsten eller mobiltelefonen?

- Magnetfeltene som forskerne beskriver, har en frekvens på flere millioner svingninger i sekundet. Ved slike frekvenser kan vevet i kroppen varmes opp, som i en mikrobølgeoven. Det er absolutt grunn til å undersøke dette nærmere, sier Skaar.

- Forskerne har riktignok behandlet dette problemet i studien sin. Det som gir oppvarming, er hovedsaklig vekslende elektriske felt. Denne teknologien utnytter magnetiske felt. Likevel, slike magnetfelt induserer jo elektriske strømmer i kroppen, så det er ikke godt å si, fortsetter han.

At magnetfelt også kan gi varme, er en induksjonskomfyr et godt eksempel på. Den har en spole i induksjonsplaten, men det er ingen mottakerspole til å samle opp strømmen. Isteden går den magnetiske energien over til varme i bunnen av kjelen.

Framtidsvyer

I framtida kan trolig enda større mengder energi overføres trådløst, slik at for eksempel biler kan lades i fart uten tilkobling av ledninger, heter det i pressemeldingen fra Duke University.

- The Wireless Power Consortium utvikler standarder for svakstrøms overføring over korte avstander. De vil bruke frekvensområdet mellom 100 og 500 kiloherz,  opplyser Urzhumov.

Artikkelen er redigert med tilleggsopplysninger etter publisering.
 

Lenke og referanse:

Pressemelding fra Duke University

Yaroslav Urzhumov og David Smith. Metamaterial-enhanced coupling between magnetic dipoles for efficient wireless power transfer. Physical Review B, 2011

The Wireless Power Consortium