Рассказываем, как в 1930-х годах пытались передавать энергию без проводов, что удалось показать публике и почему идея надолго осталась лабораторным экспериментом.
Наследие Теслы
Мысль об электричестве без проводов появилась задолго до 1930-х. Никола Тесла строил башню Wardenclyffe для передачи энергии на расстояние, но в 1904 году работы остановились, а башню не достроили. До Второй мировой войны в этой области почти ничего не продвинулось. Тем не менее лабораторные исследования продолжались, и самую наглядную демонстрацию провела компания Westinghouse.
Башня Wardenclyffe, которую Никола Тесла строил для передачи энергии на расстояние. Работы остановились в 1904 году, а башню так и не достроили.Две антенны в лаборатории
В начале 1930-х годов исследователь Westinghouse H. V. Noble поставил две простые стержневые антенны, их называют диполями, и подал на одну из них сигнал частотой 100 МГц. Это диапазон, в котором сегодня вещают FM-радиостанции, а длина волны здесь 3 метра. По описанию эксперимента, вторая антенна принимала несколько сотен ватт мощности — столько потребляют несколько бытовых лампочек. Для практического использования не хватало одновременно и мощности, и дальности передачи: энергию удалось передать лишь в пределах лаборатории.
Выставка в Чикаго
В 1933 году Westinghouse показала похожую установку публике на выставке «Век прогресса» в Чикаго. В ноябрьском выпуске журнала Short Wave Craft за 1933 год описывалось, что радиоволны зажигали лампы накаливания и вращали пропеллер на валу четвертьсильного мотора. Передатчик стоял в 30 футах, то есть примерно в 9 метрах от приемника.
Рядом показывали и другое применение. Согласно подписи к архивному снимку, бутерброды помещали между металлическими пластинами 10-киловаттного коротковолнового передатчика на 60 МГц, и они за минуты нагревались. Эту демонстрацию нередко считают прообразом микроволновой печи.
Демонстрация приготовления еды радиоволнами на выставке «Век прогресса» в Чикаго (1933). Бутерброды помещали между пластинами 10-киловаттного передатчика. Там же показывали, как радиоволны вращают мотор на расстоянии 30 футов.Почему луч расплывался
Лампа в зале загоралась потому, что приемник стоял в нескольких метрах от передатчика. Антенна излучает электромагнитные волны во всех направлениях, и по мере удаления мощность распределяется по все большей площади, поэтому сигнал слабеет.
Чтобы сконцентрировать излучение в заданном направлении, требуется рефлектор — по принципу прожектора либо спутниковой антенны. Необходимый размер рефлектора напрямую зависит от длины волны: чем больше длина волны, тем сильнее расходится луч при фиксированном размере антенны.
Грубая оценка показывает: угловая ширина расхождения луча приблизительно равна отношению длины волны к размеру антенны. Например, при длине волны 3 м антенна длиной 30 м сузит луч примерно до 6°. На расстоянии 1 км диаметр пятна излучения составит примерно 100 м, а приемник площадью порядка 3 м² сможет уловить лишь около 0,1 % от общей мощности.
Направленные антенны тогда уже существовали. Хидэцугу Яги и Синтаро Уда в феврале 1926 года опубликовали первую работу об антенне, которую позже стали широко применять в радиолокации и телевидении. По данным Википедии, Яги пытался внедрить и систему беспроводной передачи энергии, но безуспешно.
Антенна Яги-Уда. Хидэцугу Яги и Синтаро Уда получили патент на такую конструкцию в 1926 году. Позже ее стали применять в радиолокации и телевидении, а Яги пытался использовать для передачи энергии, но безуспешно.Что изменила война
Узкий луч стал возможен, когда появились мощные генераторы сантиметровых волн. Вторая мировая война ускорила развитие микроволновой техники, и благодаря этому методы передачи энергии с помощью электромагнитного излучения впервые приобрели практическую ценность.
Для сравнения: антенна диаметром 3 м, работающая на волне длиной 3 см, формирует луч шириной около 0,6°, что примерно в 10 раз уже, чем луч 30‑метровой антенны при использовании более длинных волн.
В 1964 году Уильям Браун изобрел ректенну, антенну, которая сразу превращает микроволны в постоянный ток. С ее помощью он показал первый летательный аппарат с беспроводным питанием. В 1975 году опыты в Goldstone Deep Space Communications Complex в Калифорнии дошли до десятков киловатт.
Пример ректенныЧто получилось в итоге
Идея жива и сегодня. Новозеландский стартап Emrod передает энергию на большие расстояния без проводов: между передающей антенной и ректенной размещаются промежуточные ретрансляторы. Компания Star Catcher передала лазером более 1,1 кВт на обычные солнечные панели. Длина волны лазерного излучения существенно меньше, чем у микроволн, благодаря чему луч удается сфокусировать гораздо точнее.
Демонстрация 1933 года подтвердила, что с помощью электромагнитного поля можно передавать электрическую мощность: лампа действительно загоралась. Главным ограничением выступала длина волны: при значениях, измеряемых метрами, излучение рассеивалось задолго до достижения удаленной цели.
Ранее мы рассказывали, как в Китае научились заряжать дроны в полете: микроволновый луч питал аппарат 3,1 часа на высоте около 15 метров.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
