لو نظرت حولك عزيزي القارئ لوجدت عدداً كبيراً من الأسلاك الكهربائية تحيط بالأجهزة التي تستخدمها سوءا في البيت أو في العمل، وستجد أسلاكاً تخرج من الكمبيوتر إلى الطابعة والماسح الضوئي والشاشة وهناك أسلاك الجوال وأسلاك التلفون وأسلاك أجهزة الاستقبال التلفزيوني وأسلاك أجهزة مكبرات الصوت والكثير من الأجهزة الأخرى المتواجدة لديك، وإذا لم تأخذ كافة الترتيبات اللازمة لترتيبهم بشكل جيد فستنتهي الأمور بحالة مرعبة من الأسلاك يصعب فيها تتبع سلك منها لفصله عن التيار الكهربائي على سبيل المثال. وهذه الحالة تعتبر من سلبيات الأجهزة الكهربية بالرغم من إنها تجعل حياتنا أسهل وأيسر.
ولهذا السبب يحاول العلماء تطوير طرق لنقل الطاقة الكهربية لاسلكياً wireless power transmission والتي سوف تنهي مشكلة الأسلاك تماماً. وبالرغم من أن الفكرة قد تبدو غريبة إلا إنها ليست جديدة. فالعالم نيكولا تسلا Nikola Teslaوضع نظرية لنقل الطاقة لاسلكياً في بدايات القرن العشرين. ومن أحد إنجازاته في هذا المجال عرضه الخاص بإضاءة مصباح كهربي بدون أسلاك.
وحديثا سمعنا وقرأنا في الأخبار العلمية إن فريقا من العلماء في معهد MIT قد نجحوا في نقل الطاقة الكهربائية لاسلكيا (هذا الخبر على منتدى الفيزياء التعليمي هنا) مما يجعل هذا الآمر ممكنا في المستقبل القريب، وفي هذا الموضع من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بشرح الفكرة العملية التي قامت عليها هذه التجارب وكيف يمكن أن يحدث ذلك؟ وما هي المشاكل والعقبات التي تواجه تنفيذ المشروع؟ كما نشرح أيضا الكثير من الأفكار التي تبدو خيالا علميا مثل توليد الطاقة الكهربية على سطح القمر ونقلها إلى الأرض عبر أمواج الميكروويف. الموضوع مدعم بعروض فيديو وثائقية.
شاهد هذا الفيلم الوثائقي الذي يتحدث عن العالم نيكولا تسلا واهم انجازاته
الفيلم بعنوان Nikola Tesla – The Forgotten Wizard ومدته 9 دقائق يعرض فيها سيرة هذا العالم ويذكرنا باختراعاته في مجال كهرباء التيار المتردد مع مقارنة بين أعماله وأعمال العالم تومس أديسون.
أعمال تسلا تطورت ولكن لم تنتشر على الصعيد التطبيقي، ومنذ ذلك الوقت والعلماء والباحثون عاكفون على تطوير طرق مختلفة لنقل الكهرباء لمسافات طويلة بدون أسلاك. وهذه الأعمال توجت إما في شكل نظريات أو نماذج عرض وبعضها تم تطبيقه وهو مستخدم في بعض التطبيقات، مثل فرشاة الأسنان الكهربائية.
الطاقة اللاسلكية ليست غريبة عنا فهي تستخدم في أمواج الراديو لتمكننا من استقبال المحطات التلفزيونية أو من استخدام الجوال أو من الدخول إلى شبكة الإنترنت عبر تقنية الواي فاي WiFi. وأمواج الراديو منتشرة في كل الاتجاهات حتى تصل إلى الانتينا antennae المصممة لتستقبل تردداً معيناً. ولكن استخدام نفس الفكرة لنقل الطاقة الكهربية بهذه الطريقة قد يكون غير عملي إضافة إلى أنه خطر.
فرشاة الأسنان تتعرض للماء كلما استخدمت وهذا يجعل من توصيلها بمقبس التيار الكهربي أمراً خطيراً جداً كما أن بعض الماء ممكن أن يتسرب داخل أجزاء الفرشاة الكهربائية مما يعرضها للخراب، ولهذا يتم شحن فرشاة الأسنان هذه بتقنية الحث المغناطيسي المتبادل inductive coupling.
تستخدم فرشاة الأسنان الكهربائية الحث المغناطيسي المزدوج لشحنها
يستخدم الحث المغناطيسي المتبادل inductive coupling المجال المغناطيسي الصادر عن حركة التيار الكهربي عبر الأسلاك. فكلما تحرك التيار الكهربي عبر السلك، فإنه ينتج حلقات من المجال المغناطيسي حول السلك. وإذا ما تم لف السلك ليشكل ملفاً دائرياً فان هذا سوف يساعد في تكبير قيمة المجال المغناطيسي. وكلما زادت عدد لفات الملف فإن المجال المغناطيسي سيصبح أكبر.
إذا ما تم وضع ملف آخر في المجال المغناطيسي فسوف يستحث تياراً كهربياً ينشأ في الملف الجديد. وهذه فكرة عمل المحول الكهربي حيث نسمي الملف الأول بالملف الرئيسي primary winding والملف الثاني بالملف الثانوي secondary winding، وبهذه الطريقة يتم شحن فرشاة الأسنان الكهربية حيث تتم عملية الشحن عبر المراحل التالية:
(1) يمر تيار كهربي من مغذي التيار الكهربي في المنزل إلى الشاحن الكهربي فينشئ مجالا مغناطيسيا.
(2) عند وضع فرشاة الأسنان الكهربية على الشاحن، فإن المجال المغناطيسي يستحث تيارا كهربيا يمر في الملف الثانوي.
(3) التيار الكهربي الناتج بالحث يستخدم لشحن بطارية فرشاة الأسنان.
فرشاة أسنان كهربائية لاحظ الملف الرئيسي في القاعدة والملف الثانوي في حامل الفرشاة
تستطيع أن تستخدم نفس المبدأ في شحن عدة أجهزة مع بعضها البعض مرة واحدة، فعلى سبيل المثال يمكن استخدام جهاز splashpower (موزع الطاقة) أو powerdesk طاولة الطاقة من شركة Edison Electric’s واللتان تستخدمان قاعدة مسطحة بها ملف ينتج مجالاً مغناطيسياً، عند وضع الأجهزة الكهربية التي تحتوي على ملفات ثانوية على سطح أي من الشاحنين فإن بطارية هذه الأجهزة سوف تشحن.
قاعدة موزع الطاقة اللاسلكية تستخدم طريقة الحث المغناطيسي المزدوج لشحن عدة أجهزة في نفس الوقت
نظرية جديدة تستخدم نفس الفكرة لنقل الطاقة الكهربية لمسافات بعيدة. وهذا ما سوف نتحدث عنه في الجزء التالي من هذا الموضوع.
الرنين والطاقة اللاسلكية
الرنين والطاقة اللاسلكيةتنتج الأجهزة المنزلية مجالات مغناطيسية صغيرة نسبياً. ولهذا السبب فإن الشواحن التي تعمل بالنظام المغناطيسي الحثي يجب أن تكون قريبة جداً من الجهاز المراد شحنه. مجال مغناطيسي ذو شدة عالية يمكن أن يقوم بإحداث تيار كهربي حثي على مسافات أبعد، ولكن هذه العملية تكون ذات كفاءة متدنية جداً لأن المجال المغناطيسي سوف ينتشر في كل الاتجاهات في حين جزء صغير منه هو الذي سيستغل لشحن الجهاز، ولإنتاج مجال مغناطيسي كبير بهذه الطريقة سوف يستنفذ الكثير من الطاقة.
في نوفمبر 2006 تمكن باحثون من جامعة MIT من التوصل لطريقة مناسبة لنقل الطاقة بين ملفين يبعدان عدة أمتار عن بعضهما البعض. الفريق العلمي بقيادة Marin Soljacic قال إنه يمكن زيادة المسافة بين الملفين لمسافات أبعد إذا ما تم إدخال الرنينresonance في معادلاتهما لإنتاج الطاقة بطريقة لاسلكية.
الرنين ظاهرة فيزيائية تعتمد على التردد ولها تطبيقات كثيرة فمثلاً الرنين هو الذي يجعل جهاز الراديو يستقبل محطة إذاعية محددة دون غيرها، وكذلك الرنين هو الذي يجعل الذرة تمتص تردد موجة كهرومغناطيسية دون غيرها، والرنين يجعل الأجسام تهتز بنفس التردد إذا توافق التردد المؤثر مع التردد الطبيعي للجسم، ولنأخذ مثالاً على الشوكة الرنانة حيث أن لكل شوكة رنانة تردد طبيعي محدد فإذا ما تم طرق الشوكة الرنانة فإنها تهتز مصدرة صوتاً ذو نغمة محددة، فإذا ما وجدت شوكة رنانة أخرى لها نفس التردد الطبيعي للشوكة المهتزة فإنها سوف تستجيب للاهتزازات التي أحدثتها الشوكة الأولى وتهتز معها هذا نسميه رنيناً resonance.
باحثون في MIT أثبتوا أن الحث المغناطيسي المزدوج يمكن أن يحدث بشكل مختلف إذا كان المجال الكهرومغناطيسي للملف له تردد يساوي التردد الطبيعي للملف الثانوي. وهذه النظرية تم التحقق منها من خلال تصميم ملف على شكل قوس منحني يعمل عمل الملف، وبتوصيل لوحين معدنيين عند نهاية كل طرف من الملف المنحني ليقوم بعمل المكثف الكهربي capacitor الذي يحتفظ بالشحنة ويخزنها بين لوحيه. ويكون لهذا الملف تردد رنين معين يحسب من حاصل ضرب حث الملف inductance في سعة المكثف capacitance.
الملف الكهربي في شكل قوس منحنى وفي نهايتيه لوحين معدنيين يعملان عمل المكثف الكهربي، هذه الفكرة التي طورها الباحثون في MIT
وبهذا فإن فرشاة الأسنان الكهربية تستخدم ملفين لتحصل على الطاقة الكهربية لاسلكيا، حيث أن الكهرباء التي تنتقل عبر الأمواج الكهرومغناطيسية يمكن أن تجد لنفسها ممر أو نفق من الملف الرئيسي إلى الملف الثانوي إذا كان للملفين نفس التردد الرنيني مثلما يحدث في حالة اهتزاز الشوكات الرنانة.
وهنا يجب أن يتحقق شرطان هما:
(1) أن يكون الملف الثانوي في مدى الملف الرئيسي.
(2) أن يكون للملفين نفس تردد الرنين.
إذا تحقق هذان الشرطان فان الملف الرئيسي يمكن أن يقوم باستحثاث أكثر من ملف ثانوي في نفس الوقت وهذه الطريقة أطلق عليها اسم non-radiative energy transfer أي توجيه لاسلكي لنقل الطاقة حيث أن الطريقة المذكورة لا تقوم بنشر المجال المغناطيسي في كافة الاتجاهات إنما فقط في اتجاه ملفات الاستقبال التي لها نفس تردد الرنين.
ملف واحد يقوم بشحن لاسلكي لمجموعة من الأجهزة إذا كان للملف الثانوي الخاص بهذه الأجهزة نفس التردد الرنيني للملف الرئيسي (ملف الشاحن)
الأعمال الأولية لفريق البحث في MIT أكدت انه بالإمكان أن يتم بهذه الطريقة شحن جميع الأجهزة التي في الغرفة باستخدام محطة شحن لا سلكية واحدة، ومع بعض التعديلات والإضافات الضرورية يمكن زيادة مسافة التأثير لتغطي بناية كاملة أو مدينة. ففي يونيو من العام 1997 نشر فريق بحث MIT ورقة علمية تظهر فيها نتائج ناجحة لنموذج عملي لنقل الطاقة لاسلكيا، حيث تمكنوا من إضاءة مصباح كهربي يبعد مسافة 2 متر عن الملف الكهربي. المصدرphysOrg.
نظريات أخرى لنقل الطاقة الكهربية لاسلكيا على مسافات كبيرة مثل نقل الطاقة من الفضاء إلى الأرض سوف نتحدث عنها في الجزء التالي من الموضوع.
محطات الطاقة اللاسلكية بعيدة المدى
طريقة النقل اللاسلكي للكهرباء بواسطة ملفات التأثير الحثي تعمل لمسافات محدودة فقط، ولكن هناك أفكار واقتراحات لنقل الكهرباء على مسافات واسعة قد تصل لنقل الكهرباء من الفضاء إلى الكرة الأرضية.
في القرن التاسع عشر مركز أبحاث الاتصالات الكندية صممت طائرة صغيرة بدون طيار وتزود بالطاقة الكهربية بواسطة شعاع موجه إليها من الأرض. هذه الطائر سميت باسم SHARP اختصارا للجملة Stationary High Altitude Relay Platform حيث أن هذه الطائرة كانت معدة بتكون جزء من وحدة الاتصالات وليس للسفر من مكان لآخر. الطائرة SHARP كانت تحلق على ارتفاع 21 كيلومتر وتعمل دائرة نصف قطرها 2 كيلومتر والاهم في هذا الموضوع إن الطائرة كانت تستمر في تحليقها لمدة زمنية تصل شهرين.
الطائرة SHARP تحلق لمدة شهرين بطاقة كهربية موجه لها من الأرض.
إن السر في سبب تحليق الطائرة SHARP كل هذه المدة بدون توقف هو إنها تستقبل أمواج ميكروويف من محطة أرضية ومدار تحليق الطائرة يقع في مجال تأثير مولد أمواج الميكروويف، زودت الطائرة بأنتينا على شكل قرص دائري لتلتقط أمواج الميكروويف وتحولها إلى تيار كهربي مستمر. ولهذا كانت الطائرة تستمد طاقتها من خلال تحليقها المستمر في مجال تأثير أمواج الميكروويف.
طورت وكالة الفضاء ناسا مصدر بعيد المدى لتوصيل الطاقة الكهربية للطائرات بدون طيار. كما طور مركز طيران الفضاء Marshal طائرات تعمل خلايا فوتوفوتك photovoltaic cells يتم تزيدها بالضوء من مصدر ليزر غير مرئي يعمل بالأشعة تحت الحمراء. وتقنية الفوتوفولتيك (اطلع على هذا المقال من كيف يعمل الخلايا الشمسية) تحتاج إلى اتصال مباشر بينها وبين مصدر الليزر وهذه التقنية تم التفكير فيها في المصاعد الفضائية كمصدر لنقل الطاقة الكهربية لهذه المصاعد.
كيف تحول الانتينا أمواج الميكروويف إلى طاقة كهربية؟
تعتبر الانتينا عنصر مهم في تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكية، وهذه الانتنا مصممة من دايود diode من مادة شبه موصلة semiconductor متراصة في شكل مصفوفة ولها قطبية موجبة وسالبة وتقوم بعملها على النحو التالي:
(1) تصل أمواج الميكروويف والتي هي عبارة عن جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الانتينا القطبية.
(2) تقوم الانتينا بتجميع طاقة الميكروويف وتحولها إلى الديودات diodes.
(3) تقوم الديودات بعمل المفاتيح الكهربائية لتفتح وتغلق كبوابة تسمح للالكترونات بالحركة في اتجاه واحد فقط لتصل إلى دائرة كهربية.
(4) توجه الدائرة الكهربية سيل الالكترونات إلى النظام الذي يحتاج إلى التيار الكهربي.
هذا الفيديو عبارة عن فيلم وثائقي مدته دقيقتين للتجربة الناجحة التي قامت بها علماء وكالة الأبحاث الفضائية ناسا ويظهر في الصورة شكل الانتينا المستخدمة في التقاط أمواج الراديو وهذا الفيلم بعنوان
Liftport Energy 2.0 : Wireless Power Transmission test 1974
ومن الأفكار العملية لنقل الطاقة الكهربية لمسافات كبيرة الاقتراح الذي تقدم به العالم Diavid Criswell من جامعة هيوستن Houston University حيث يتضمن الاقتراح استخدام أمواج الميكروويف لنقل الكهرباء إلى الأرض من محطات توليد على سطح القمر. حيث تستقبل هذه الطاقة أجهزة استقبال خاصة تحتوي على أنتينا تحولها إلى تيار كهربي.
محطة على الأرض تستقبل الطاقة الصادرة من القمر عبر أمواج الميكروويف
والخوض في تفاصيل هذا الاقتراح سوف يقودنا إلى الكثير من الصعوبات التي يجب أن تذلل وتحل فمثلا لاستقبال أمواج الميكروويف من مولدات على سطح القمر يتطلب وجود مستقبلات ضخمة على سطح الأرض لاستقبال هذه الأمواج بكفاءة عالية حيث تم التفكير في صنع أنتينا في صورة شبكات ضخمة لتسمح بمرور ضوء الشمس والأمطار وهذه الانتينات توفر مصدرا للطاقة محافظا للبيئية ولكن هناك الكثير من العقبات مثل الحاجة إلى وجود وحدة صيانة ومتابعة للمحطة الرئيسية على سطح القمر، كما أن المنطقة المستفيدة من هذه الطاقة الكهربية الصادرة من القمر هي تلك التي تقع على الخط الواصل بين القمر والأرض، أضف إلى ذلك مخاوف الناس من وجودهم في حيز من أمواج الميكروويف مما يجعلهم يرفضون استخدام هذه الفكرة كما يحدث عندما تقوم شركات الجوال بإقناع أهل المنطقة بأهمية وجود محطة تقوية لأجهزة الجوال.
يمكنك عزيزي القارئ الاستفادة من هذا السمينار على موقع يوتيوب والذي يشرح فيه أخر الأبحاث في مجال نقل الطاقة الكهربية من الفضاء والمحاضرة بعنوان Electricity from Orbit: The case for R & D ويلقيها Marty Hoffert في 5-12-2007 مع العلم بان شركة جوجل قد رصدت مبلغ 100 مليون دولار لأبحاث الطاقة من الفضاء.
الخلاصة
بينما يحاول العلماء بناء محطات تجريبية لأفكارهم إلا إنها لا تزال أفكار نظرية، ولكن مع الزيادة في تعداد السكان على الأرض والزيادة المستمرة في الاعتماد على الكهرباء مع تطور الأجهزة والتقنيات الالكترونية الحديثة لذلك فان فكرة الطاقة اللاسلكية ستكون ضرورة حتمية وليس مجرد أفكار مشوقة.
لمزيد من المعلومات حول الموضوع يرجى زيارة المواقع التالية:
- PBS: Tesla, Master of Lightning
- University of Georgia HyperPhysics
- U.S. Department of Energy: What Is Electricity?
- Theater of Electricity
- MIT Research Laboratory of Electronics
- http://ar.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%8A%D8%B3%D9%84%D8%A7
هذه اول مرة افتح هذا الموقع و افكر في حذف كافة التطبيقات على جهازي و كافة السوشيال ميديا و اركز فقط على هذا الموقع لما فيه من فائدة علمية و معلومات عامة تفيد في فهم الكثير من المواضيع التي تجعلنا نرتقي لتطوير افكارنا و حياتنا و نقوم بتغيير اتجاهات افكارنا الى مجالات علمية واقعية لسنا بغنى عنها وهذا باعتقادي سيؤدي الة ان نعيد التفكير في تطبيقات السوشيال التي ليس لها اي فائدة من حيث استغلال الزمن في هذا العصر والزمن اغلى من اي شيء مادي.
شكرا لاصحاب هذا الموقع و وفقكم الله.
حياك الله اخي العزيز استاذ ناصر على كلماتك المشجعة بارك الله فيك