Hur metamaterial kommer att öka trådlös kraftöverföring

Strömkablar är den moderna tillvarons förbannelse. Om du äger en stationär PC, en telefon och kanske en mediaspelare, har du sannolikt minst ett eluttag som ser ut som en spaghettikorsning.

Det är därför det finns ett växande intresse för trådlös kraftöverföring. RFID-chips har blivit allestädes närvarande i västvärlden tack vare möjligheten att förse dem med små mängder strömkraft trådlöst.

Men det har gjorts många mycket mer ambitiösa försök att ta fram kraftfullare sätt att överföra kraft. Japanerna har ett långvarigt intresse av att stråla kraft till marken från solpaneler i rymden. Med sina egna begränsade naturresurser ser de detta som ett sätt att säkra sin energiförsörjning.

En av begränsningarna för flygplan är mängden bränsle de kan bära så det har gjorts olika försök att stråla ut ström till dem med hjälp av mikrovågor och lasrar. Vissa forskare har till och med tittat på möjligheten att skjuta upp och driva en rymdfarkost på spetsen av en kraftfull laserstråle.

Närmare hemmet har idén att trådlöst ladda bärbara enheter som smartphones, bärbara datorer och mediaspelare en uppenbar dragningskraft. Och på senare år har olika trådlösa laddningsenheter kommit ut på marknaden. Forskare har till och med visat möjligheten att stråla kraft över ett rum till dessa maskiner.

Det finns många problem med alla dessa idéer. Mikrovågs- ​​och laserstrålar kan bära betydande kraft men de tenderar också att steka allt som kommer i vägen.

Induktiva laddare är säkrare eftersom de förlitar sig på en resonanseffekt mellan två tätt placerade spolar. Men de är inte särskilt effektiva i de bästa tiderna och vilken effektivitet de har faller från en klippa när avståndet mellan spolarna ökar. I matematiska termer, om avståndet mellan spolarna är d, är effektiviteten för kraftöverföringen omvänt proportionell mot d^6. Otäck!

Idag säger Yaroslav Urzhumov och David Smith vid Duke University i North Carolina att det finns ett sätt att dramatiskt förbättra detta genom att använda metamaterial, de konstiga konstgjorda grejer som forskare kan använda för att böja elektromagnetiska vågor till deras vilja.

En av de första upptäckterna om metamaterial för ungefär tio år sedan var att de kan användas för att skapa en perfekt lins, det vill säga en lins som kan fokusera och elektromagnetisk stråla med subvåglängdsupplösning. Ett annat sätt att säga detta är att linsen fungerar när den är närmare än en enda våglängd för källan.

Den nya idén är relativt enkel. Urzhumov och Smith föreslår helt enkelt att man placerar en superlins mellan de två spolarna i en induktiv laddare. Och det är allt.

Arbetet de publicerar idag är en detaljerad teoretisk redogörelse för de förbättringar som ett sådant system skulle ge. De säger att en sådan lins skulle ha formen av en tunn, platt platta av metamaterial och att den skulle öka effektiviteten från att vara omvänt proportionell mot d^6 till omvänt proportionell mot d^3.

Rent praktiskt innebär det en stor effektivitetsökning. Effektöverföringseffektiviteten med plattan kan vara en storleksordning större än effektiviteten för fritt utrymme, säger de.

Det är en stor sak i en disciplin där ingenjörer kämpar för att öka effektiviteten med några procent.

Så när kan vi förvänta oss att se en sådan enhet? Urzhumov och Smith säger inte, men det är möjligt att göra en välgrundad gissning.

Smith är en av de bästa bananerna i metamaterialvärlden – han byggde och demonstrerade den första osynlighetsmanteln redan 2006. Faktum är att han avslöjade enheten bara några månader efter att idén om att använda metamaterial för att göra osynlighetskappor först togs fram. Uppenbarligen hade han arbetat med det ett tag innan teoriuppsatsen publicerades

Det är vettigt att hålla en intressant ny idé under hölje tills du har räknat ut hur man bygger den (och skyddat IP).

Så att döma av hans tidigare form är min gissning att Smith har en fungerande version av sin trådlösa kraftöverföringsenhet nu och att han kommer att visa den offentligt under de kommande månaderna.

Ref: arxiv.org/abs/1102.2281 : Metamaterial-förbättrad koppling mellan magnetiska dipoler för effektiv trådlös kraftöverföring

Dölj