Hoje eu estava lendo sobre Nikola Tesla (via Oatmeal ) e sobre a Torre Wardenclyffe, que (entre outras coisas) se destinava a transmitir eletricidade sem fio. Perdoe a ingenuidade da pergunta, mas se a tecnologia que poderia transmitir corrente elétrica sem fio foi inventada há mais de 100 anos, por que não usamos eletricidade sem fio no dia a dia de hoje? Em outras palavras, por que precisamos conectar fisicamente nossos dispositivos elétricos (telefones / computador etc.) se existe algo como eletricidade sem fio? Se é uma questão de eficiência / custo, imagino que algumas pessoas ricas ainda não se importariam em pagar mais, à luz do desperdício, pela conveniência adicional.

Por favor, explique nos termos do leigo (embora uma resposta simples seja suficiente).

Eu uso eletricidade sem fio todos os dias.

Na minha escova de dentes:

E no meu celular:

O método usado em meus dispositivos é chamado de carregamento indutivo . Falo um pouco mais sobre isso na minha resposta a esta pergunta . Essa é a forma mais comum e prática de transmitir energia sem fio no momento. Mas, como muitos dos comentários observaram, isso é considerado transmissão em campo próximo. E com um alcance efetivo de apenas alguns milímetros, é um campo muito próximo.

A quantidade de energia transferida e a eficiência da transferência podem ser bastante aumentadas (embora ainda sejam consideradas como campo próximo) adicionando um capacitor a cada uma das bobinas do indutor e ajustando as redes RLC resultantes para ter um alto fator Q no mesma frequência (ressonante). Uma equipe do MIT pesquisou o uso da ressonância indutiva como sistema de transferência de energia sem fio.

Desde então, os pesquisadores formaram uma empresa chamada WiTricity para desenvolver ainda mais a tecnologia. Embora eles ainda não tenham trazido um produto ao mercado comercial, fizeram algumas demonstrações impressionantes :

O termo WiTricity foi usado para um projeto realizado no MIT, liderado por Marin Soljačić em 2007. Os pesquisadores do MIT demonstraram com sucesso a capacidade de alimentar uma lâmpada de 60 watts sem fio, usando duas bobinas de cobre de 5 cm de 60 cm (24 pol.) ), a 2 m (7 pés) de distância, com aproximadamente 45% de eficiência. As bobinas foram projetadas para ressoar juntas a 9,9 MHz (ength comprimento de onda 30 m) e foram orientadas ao longo do mesmo eixo. Um foi conectado indutivamente a uma fonte de energia e o outro a uma lâmpada. A instalação ligou a lâmpada, mesmo quando a linha de visão direta foi bloqueada usando um painel de madeira. Os pesquisadores conseguiram alimentar uma lâmpada de 60 watts com eficiência de aproximadamente 90% a uma distância de 3 pés. O projeto de pesquisa foi transformado em uma empresa privada, também chamada WiTricity.

É importante observar que a distância entre o transmissor e o receptor desempenha um fator crucial na determinação de quanta energia pode ser transferida com segurança. Como pode ser visto neste artigo, com base no projeto do MIT, a queda de tensão em relação à distância entre as bobinas é exponencial:

Mas existem muitos outros métodos , como microondas e laser, capazes de distâncias muito maiores. No entanto, esses métodos são muito direcionais e são aplicáveis ​​a uma área muito menor que a Wardenclyffe Tower proposta por Tesla, que seria onidirecional. Também há muitos outros fatores a serem considerados ao implementar um destes métodos:

Microondas:

A transmissão de energia por ondas de rádio pode ser mais direcional, permitindo a transmissão de energia a distâncias maiores, com comprimentos de onda mais curtos da radiação eletromagnética, normalmente na faixa de microondas. Uma retena pode ser usada para converter novamente a energia de microondas em eletricidade. Eficiências de conversão de retena superiores a 95% foram obtidas. A transmissão de energia usando microondas foi proposta para a transmissão de energia de satélites de energia solar em órbita para a Terra e a transmissão de energia para naves espaciais que saem da órbita foi considerada.
...
Para aplicações terrestres, uma grande área de recebimento de 10 km de diâmetro permite a utilização de grandes níveis totais de energia enquanto estiver operando na baixa densidade de energia sugerida para a segurança da exposição eletromagnética humana. Uma densidade de potência segura humana de 1 mW / cm2 distribuída por uma área de 10 km de diâmetro corresponde ao nível total de potência de 750 megawatts. Este é o nível de energia encontrado em muitas usinas elétricas modernas.
...
A transmissão sem fio de alta potência usando microondas é bem comprovada. Experimentos em dezenas de quilowatts foram realizados em Goldstone, na Califórnia, em 1975 e, mais recentemente (1997), em Grand Bassin, na Ilha da Reunião. Esses métodos atingem distâncias da ordem de um quilômetro.

Laser

As vantagens da transferência de energia baseada em laser em comparação com outros métodos sem fio são:

1. A propagação monocromática de frente de onda colimada permite uma área de seção transversal estreita do feixe para transmissão de energia em grandes faixas.
2. tamanho compacto de diodos semicondutores lasers-fotovoltaicos de estado sólido cabidos em pequenos produtos.
3. nenhuma interferência de radiofrequência nas comunicações de rádio existentes, como Wi-Fi e telefones celulares.
4. controle de acesso; somente os receptores iluminados pelo laser recebem energia.

Suas desvantagens são:

1. A radiação laser é perigosa, mesmo em baixos níveis de energia, pode cegar pessoas e animais, e em altos níveis de energia, pode matar através do aquecimento local localizado
2. A conversão para luz, como com um laser, é ineficiente
3. A conversão de volta em eletricidade é ineficiente, com células fotovoltaicas atingindo uma eficiência de 40% a 50%. (Observe que a eficiência de conversão é bastante maior com luz monocromática do que com insolação de painéis solares).
4. A absorção atmosférica, a absorção e a dispersão pelas nuvens, nevoeiro, chuva, etc., causa perdas, que podem chegar a 100%.
5. Como na transmissão por microondas, esse método requer uma linha direta de visão com o alvo.

E é claro que existe o método de "carga perturbada do solo e do ar" usado por Tesla. No que diz respeito ao sistema Tesla, isso foi encerrado porque o financiamento acabou e o mercado de ações caiu . Quanto ao motivo pelo qual não foi tentado desde então, é principalmente porque esse sistema não pode ser estritamente medido. Portanto, as empresas de energia não podiam cobrar por uso e ganhar muito dinheiro. Sem uma maneira de monetizar a tecnologia, nenhum investimento em pesquisa e desenvolvimento será feito. De qualquer forma, essa é a teoria da (conspiração). Embora existam muitas outras razões pelas quais esse método é inviável ou simplesmente não funcionaria.

Não consegui encontrar um artigo com números definitivos quanto à eficiência. Mas acho que a eficiência é a principal razão pela qual você não vê essa tecnologia em um uso mais amplo. No entanto, ele existe, pessoas como eu (leia-se: não é rico) têm acesso a ele e funciona muito bem.

Editar:

Encontrei um estudo de caso realizado pelo Wireless Power Consortium, fabricante de carregador de qi para o meu telefone, que afirma (ênfase minha):

Nesta seção, comparamos o consumo total de energia em um período de 5 anos

Estudo de caso:

Eficiência média do sistema do carregador sem fio N sys-wireless = 0,50 (50%)

Eficiência média do sistema do adaptador de energia com fio N sys-wired = 0,72 (72%) Suponha que a energia de carregamento média seja 2W.

Portanto, a parte com fio do sistema tem uma eficiência de 72% e a parte sem fio tem uma eficiência de 50%. Isso é usando um método indutivo no qual as bobinas estão a alguns milímetros de distância. Compare isso com o WiTricity de Joel, que indica uma eficiência de 40% em 2 metros.

Considere os custos adicionais associados à circuidade e aos componentes extras de um sistema sem fio em comparação com o custo de um fio de cobre e você pode ver por que a transferência de energia sem fio de longa distância ainda é considerada impraticável para uso no mercado de massa.

Se você irradiar energia esférica (igual em todas as direções), a energia recebida na outra extremidade será proporcional à porcentagem da esfera coberta pelo receptor. Quanto mais longe você fica, menos energia você captura para a antena do mesmo tamanho, proporcional a 1 / r ^ 2. O restante da energia é desperdiçado no espaço livre. Este é um modelo massivamente simplificado, é claro. Se você souber onde está o receptor, direcione o transmissor para a direção, use ressonância, etc., mas você entendeu. A energia sem fio não encontra magicamente o caminho para o seu receptor com 100% de eficiência. Além disso, você possui um circuito de conversão de energia que também não é 100% eficiente.

Se o envio e o recebimento estão separados por milímetros e os níveis de energia são baixos, como em uma escova de dentes ou em uma estação telefônica, a eficiência é tolerável e a energia perdida não custa muito. Uma escova de dentes custa apenas centavos por ano para se manter carregada; portanto, vale a pena trocar o custo extra de energia contra a impermeabilização do produto para um ambiente de banheiro. Um bloco embaixo do seu carro elétrico transmitindo milhares de watts por um metro de distância do solo gastaria dezenas de dólares por mês em custo de energia em comparação com a tomada. Tentando usar um secador de roupa diretamente de uma torre de uma empresa elétrica no topo de uma colina a quilômetros de distância simplesmente não funcionaria.

Ainda podemos ver a energia sem fio ou ambiente se tornar popular para pequenos dispositivos embarcados, como um microcontrolador de baixa potência que monitora alguma coisa. Se o consumo de energia do microcontrolador for baixo o suficiente, ele poderá ser executado continuamente a partir de um minúsculo painel solar, uma bobina de fio como em um crachá RFID, dispositivo piezoelétrico ou assim por diante. A energia pode ser extraída de sinais de WiFi, calor, movimento mecânico ou outras formas que não são usadas hoje, porque os níveis de energia são muito baixos para serem úteis. A transmissão de dados coletados por, por exemplo, o Bluetooth LE consome muito mais energia do que simplesmente executar o microcontrolador, de modo que as rajadas de transmissão precisam ser curtas e pouco frequentes, com algum armazenamento de energia (capacitor) preenchendo lentamente. Este é o reino dos microwatts ou talvez dos nanowatts; portanto, esqueça de ter o seu celular continuamente carregado enquanto você anda.

A razão pela qual não distribuímos energia como Tesla havia tentado é porque ela não funciona. É basicamente uma idéia idiota porque:

1. A energia disponível em qualquer volume fixo diminui com o cubo da distância do transmissor. Digamos, por exemplo, que você poderia extrair 100 kW de um metro cúbico a 10 metros do transmissor. A 100 metros, isso seria 100 W. A 200 metros, 12,5 Watts, o que é suficiente para alimentar uma luz.

2. Não há como medir o uso individual, então como você cobra as pessoas? Você não pode esperar que eu pague só porque você ergue uma torre. Posso afirmar que nunca usei nenhum poder, e você não pode provar o contrário.

3. Realmente não sabemos quais são os efeitos na saúde da exposição a longo prazo a campos elétricos significativamente poderosos. Pense nisso. Se uma lâmpada deve interceptar a energia desse campo para iluminar-se, como exatamente seu corpo não deve interceptar alguma energia?

4. Como você evita que objetos comuns que possuam as propriedades elétricas corretas interceptem a energia e aqueçam? Você teria que ter muito cuidado ao usar qualquer material que não seja um bom isolante. Você deve ter em mente o tamanho, a orientação e a impedância para evitar que ela capte energia do campo E ao seu redor. Pense em todos os objetos de metal que você considera óbvios. Mesmo uma lata de refrigerante de alumínio pode ser um problema.

5. É terrivelmente ineficiente, mesmo que funcionasse. Haverá muitos objetos comuns, como no item 4 acima. Muito menos o que acontece com esses objetos quando eles interceptam esse poder, mas pense no enorme desperdício de poder do lado do produtor. Todo galho de árvore molhado, o chão e todo tipo de coisa tomará força deste campo E.

Como eu disse, é uma idéia idiota, e foi uma idéia idiota quando Tesla também tentou, como algumas de suas próprias equações deveriam ter dito a ele.

Conselho:

Vamos ver se entendi isso corretamente. Se você tem radiação ou ondas eletromagnéticas saindo do seu sistema, a energia é desperdiçada?

Tesla:

Absolutamente desperdiçado. Do meu circuito, você pode obter ondas eletromagnéticas, 90% das ondas eletromagnéticas, se quiser, e 10% na energia atual que passa pela Terra. Ou, você pode reverter o processo e obter 10% da energia nas ondas eletromagnéticas e 90% na energia da corrente que passa pela Terra.

É assim: eu inventei uma faca. A faca pode cortar com a ponta afiada. Eu digo ao homem que aplica minha invenção, você deve cortar com a ponta afiada. Sei perfeitamente bem que você pode cortar manteiga com a ponta romba, mas minha faca não se destina a isso. Você não deve fazer a antena emitir 90% em ondas eletromagnéticas e 10% em ondas atuais, porque as ondas eletromagnéticas são perdidas quando você está em alguns arcos ao redor do planeta, enquanto a corrente viaja até a maior distância do globo e pode ser recuperado.

Essa visão, a propósito, agora está confirmada. Observe, por exemplo, o tratado matemático de Sommerfeld, que mostra que minha teoria está correta, que eu estava certo em minhas explicações sobre os fenômenos e que a profissão estava completamente enganada. Esta é a razão pela qual esses meus seguidores em correntes de alta frequência cometeram um erro. Eles queriam produzir alternadores de alta frequência de 200.000 ciclos com a ideia de que produziriam ondas eletromagnéticas, 90% em ondas eletromagnéticas e o restante em energia atual. Usei apenas baixas alternações e produzi 90% da energia atual e apenas 10% das ondas eletromagnéticas, que são desperdiçadas, e é por isso que obtive meus resultados. . . .

Veja bem, o aparelho que eu inventei era um aparelho que permitia produzir tremendas diferenças de potencial e correntes em um circuito de antena. Esses requisitos devem ser cumpridos, se você transmite por correntes de condução ou se transmite por ondas eletromagnéticas. Você quer correntes de alto potencial, deseja uma grande quantidade de energia vibratória; mas você pode graduar essa energia vibratória. Pelo design adequado e escolha dos comprimentos das ondas, você pode organizá-las para obter, por exemplo, 5% dessas ondas eletromagnéticas e 95% da corrente que atravessa a Terra. É isso que estou fazendo. Ou você pode obter, como esses homens do rádio, 95% na energia das ondas eletromagnéticas e apenas 5% na energia da corrente. . . . O aparelho é adequado para um ou outro método. Não estou produzindo radiação com meu sistema; Estou suprimindo ondas eletromagnéticas. . . . No meu sistema, você deve se libertar da ideia de que existe radiação, de que a energia é irradiada. Não é irradiado; é conservado. . . .

Tesla não era estúpido!

:)

Eu li em algum lugar que ele parou por causa do medo dos efeitos físicos que o sistema possa ter sobre nós. No final, acho que se ele dissesse que funcionaria, funcionaria ... tenho que ir com o cara que inventou a eletricidade como a usamos até hoje ... e o rádio ... e o raio-x .. muito ruim que ele ainda não esteja por perto, os avanços que ele faria hoje!