تخيل دخولك للمطار أو سوبرماركت وتجد موبايلك يشحن تلقائيًا.. شحن لاسلكي باستخدام الأشعة تحت الحمراء
تخيل دخولك إلى مطار أو محل بقالة وسيبدأ هاتفك الذكي في الشحن تلقائيًا، قد يكون هذا حقيقة في يوم من الأيام ، بفضل نظام الشحن اللاسلكي بالليزر الجديد الذي يتغلب على بعض التحديات التي أعاقت المحاولات السابقة لتطوير أنظمة شحن آمنة ومريحة أثناء التنقل.
قال قائدة فريق البحث Jinyong Ha من جامعة سيجونج في كوريا الجنوبية : “إن القدرة على تشغيل الأجهزة لاسلكيًا يمكن أن تلغي الحاجة إلى حمل كابلات الطاقة للهواتف أو الأجهزة اللوحية الخاصة بنا”، “يمكنها أيضًا تشغيل أجهزة استشعار مختلفة مثل تلك الموجودة في أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) وأجهزة الاستشعار المستخدمة لمراقبة العمليات في المصانع.”
في Optics Express ، وصف الباحثون نظامهم الجديد، الذي يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء لنقل مستويات عالية من الطاقة بأمان. أظهرت الاختبارات المعملية أنه يمكن أن ينقل 400 ميجاوات من الطاقة الضوئية لمسافات تصل إلى 30 مترًا. هذه القوة كافية لشحن أجهزة الاستشعار، ومع مزيد من التطوير ، يمكن زيادتها إلى المستويات اللازمة لشحن الأجهزة المحمولة .
نقل الطاقة لاسلكيا بعيد المدى
تمت دراسة العديد من التقنيات لنقل الطاقة اللاسلكية بعيد المدى، ومع ذلك، كان من الصعب إرسال طاقة كافية بأمان عبر مسافات على مستوى المتر،للتغلب على هذا التحدي، قام الباحثون بتحسين طريقة تسمى الشحن بالليزر الموزع، والتي اكتسبت مؤخرًا مزيدًا من الاهتمام لهذا التطبيق لأنها توفر إضاءة آمنة عالية الطاقة مع فقد أقل للضوء.
قال ها “بينما تتطلب معظم الأساليب الأخرى أن يكون جهاز الاستقبال في قاعدة شحن خاصة أو أن يكون ثابتًا ، فإن الشحن بالليزر الموزع يتيح المحاذاة الذاتية دون عمليات التتبع طالما أن المرسل والمستقبل في مرمى نظر بعضهما البعض”، “ينتقل أيضًا تلقائيًا إلى وضع توصيل آمن للطاقة المنخفضة إذا قام جسم أو شخص بحجب خط الرؤية.”
الذهاب عبر المسافة
يعمل الشحن بالليزر الموزع إلى حد ما مثل الليزر التقليدي ولكن بدلاً من دمج المكونات الضوئية لتجويف الليزر في جهاز واحد ، يتم فصلها إلى جهاز إرسال واستقبال. عندما يكون المرسل والمستقبل ضمن خط البصر ، يتشكل تجويف ليزر بينهما عبر الهواء – أو الفضاء الحر – مما يسمح للنظام بتوصيل الطاقة المستندة إلى الضوء. إذا قطعت إحدى العوائق خط رؤية المرسل والمستقبل ، يتحول النظام تلقائيًا إلى الوضع الآمن للطاقة ، مما يؤدي إلى توصيل طاقة خالية من المخاطر في الهواء.
في النظام الجديد، استخدم الباحثون مصدر طاقة ضوئي من الألياف المخدرة بالإربيوم بطول موجي مركزي يبلغ 1550 نانومتر، يقع نطاق الطول الموجي هذا في المنطقة الأكثر أمانًا من الطيف ولا يشكل أي خطر على العين البشرية أو الجلد عند استخدام الطاقة.
المكون الرئيسي الآخر هو مرشح تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الذي أنشأ حزمة ضيقة النطاق مع قدرة بصرية ضمن حدود الأمان للانتشار في الفضاء الحر.
قال ها: “في وحدة الاستقبال ، قمنا بدمج عاكس خلفي لعدسة كروية كروية لتسهيل محاذاة جهاز الإرسال والاستقبال بزاوية 360 درجة ، مما زاد من كفاءة نقل الطاقة إلى الحد الأقصى”، “لقد لاحظنا بشكل تجريبي أن الأداء الكلي للنظام يعتمد على معامل الانكسار للعدسة الكروية ، مع كون معامل الانكسار 2.003 هو الأكثر فاعلية.”
الفحوصات المخبرية
لإثبات النظام ، أنشأ الباحثون مسافة 30 مترًا بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، تم تصنيع جهاز الإرسال من مصدر ضوئي لمضخم الألياف المشبع بالإربيوم، وتضمنت وحدة الاستقبال عاكسًا رجعيًا، وهي خلية ضوئية تعمل على تحويل الإشارة الضوئية إلى طاقة كهربائية ومصباح LED يضيء عند توصيل الطاقة، يمكن بسهولة دمج هذا المستقبل ، الذي يبلغ حجمه حوالي 10 × 10 ملم ، في الأجهزة وأجهزة الاستشعار.
أظهرت النتائج التجريبية أن نظام نقل الطاقة الضوئية اللاسلكي أحادي القناة يمكن أن يوفر طاقة بصرية تبلغ 400 ميغجواط مع عرض خط للقناة يبلغ 1 نانومتر على مسافة 30 مترًا.
حولت الخلايا الكهروضوئية هذا إلى طاقة كهربائية تبلغ 85 ميجاوات.
أظهر الباحثون أيضًا أن النظام يتحول تلقائيًا إلى وضع نقل الطاقة الآمن عندما يتم مقاطعة خط الرؤية بواسطة يد بشرية، في هذا الوضع ، أنتج جهاز الإرسال ضوءًا منخفض الشدة بشكل لا يُصدق لا يشكل أي خطر على الناس.
قال ها: “إن استخدام نظام الشحن بالليزر لاستبدال أسلاك الطاقة في المصانع يمكن أن يوفر تكاليف الصيانة والاستبدال”، “قد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص في البيئات القاسية، حيث يمكن أن تتسبب التوصيلات الكهربائية في حدوث تداخل أو تشكل خطر نشوب حريق.”
الآن بعد أن أظهروا النظام ، يعمل الباحثون على جعله أكثر عملية، على سبيل المثال، يمكن زيادة كفاءة الخلية الكهروضوئية لتحسين تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، كما يخططون لتطوير طريقة لاستخدام النظام لشحن أجهزة استقبال متعددة في وقت واحد.
