Estaba leyendo sobre Nikola Tesla hoy (a través de la Avena ) y sobre la Torre Wardenclyffe que (entre otras cosas) tenía la intención de transmitir electricidad de forma inalámbrica. Perdone la ingenuidad de la pregunta, pero si la tecnología que podría transmitir corriente eléctrica de forma inalámbrica se inventó hace más de 100 años, ¿por qué no usamos electricidad inalámbrica en nuestra vida cotidiana hoy? En otras palabras, ¿por qué tenemos que enchufar físicamente nuestros dispositivos eléctricos (teléfonos / computadora, etc.) si existe algo como la electricidad inalámbrica? Si se trata de un problema de eficiencia / costo, entonces me imagino que a algunas personas ricas todavía no les importaría pagar más, a la luz del desperdicio, por la conveniencia adicional.

Por favor explique en términos simples (aunque una respuesta simple sería suficiente).

Yo uso la electricidad inalámbrica todos los días.

En mi cepillo de dientes:

Y en mi celular:

El método utilizado en mis dispositivos se llama carga inductiva . Hablo un poco más al respecto en mi respuesta a esta pregunta . Esta es la forma más común y práctica de transmitir energía de forma inalámbrica en este momento. Pero como muchos de los comentarios han señalado, esto se considera transmisión de campo cercano. Y con un alcance efectivo de solo unos pocos milímetros, está muy cerca del campo.

La cantidad de energía transferida y la eficiencia de la transferencia se puede aumentar bastante (aunque todavía se considera que está cerca del campo) agregando un condensador a cada una de las bobinas inductoras y ajustando las redes RLC resultantes para tener un factor Q alto en el misma frecuencia (resonante) Un equipo del MIT investigó el uso de la resonancia inductiva como sistema inalámbrico de transferencia de energía.

Desde entonces, los investigadores formaron una compañía llamada WiTricity para desarrollar aún más la tecnología. Si bien todavía no han traído un producto al mercado comercial, han hecho algunas demostraciones impresionantes :

El término WiTricity se usó para un proyecto que tuvo lugar en el MIT, dirigido por Marin Soljačić en 2007. Los investigadores del MIT demostraron con éxito la capacidad de alimentar una bombilla de 60 vatios de forma inalámbrica, utilizando dos bobinas de cobre de 5 vueltas de 60 cm (24 in ) de diámetro, que estaban a 2 m (7 pies) de distancia, con aproximadamente un 45% de eficiencia. Las bobinas fueron diseñadas para resonar juntas a 9.9 MHz (≈ longitud de onda 30 m) y se orientaron a lo largo del mismo eje. Uno estaba conectado inductivamente a una fuente de alimentación y el otro a una bombilla. La configuración encendió la bombilla, incluso cuando la línea de visión directa estaba bloqueada con un panel de madera. Los investigadores pudieron alimentar una bombilla de 60 vatios con aproximadamente un 90% de eficiencia a una distancia de 3 pies. El proyecto de investigación se dividió en una empresa privada, también llamada WiTricity.

Es importante tener en cuenta que la distancia entre el transmisor y el receptor juega un factor crucial para determinar cuánta energía se puede transferir de manera confiable. Como se puede ver en este documento basado en el proyecto MIT, la disminución del voltaje con respecto a la distancia entre las bobinas es exponencial:

Pero hay muchos otros métodos , como microondas y láser, que son capaces de recorrer distancias mucho mayores. Sin embargo, estos métodos son muy direccionales y, por lo tanto, son aplicables en un área mucho más pequeña que la Torre Wardenclyffe propuesta por Tesla, que sería omnidireccional. También hay muchos otros factores a considerar al implementar uno de estos métodos:

Microonda:

La transmisión de energía a través de ondas de radio se puede hacer más direccional, permitiendo una transmisión de energía de mayor distancia, con longitudes de onda más cortas de radiación electromagnética, típicamente en el rango de microondas. Se puede usar una rectenna para convertir la energía de microondas nuevamente en electricidad. Se han realizado eficiencias de conversión de Rectenna superiores al 95%. Se ha propuesto la transmisión de energía mediante microondas para la transmisión de energía desde los satélites de energía solar en órbita a la Tierra y se ha considerado la transmisión de energía a las naves espaciales que salen de la órbita.
...
Para aplicaciones terrestres, una matriz receptora de gran área de 10 km de diámetro permite utilizar grandes niveles de potencia total mientras se opera a la baja densidad de potencia sugerida para la seguridad de la exposición electromagnética humana. Una densidad de potencia segura para humanos de 1 mW / cm2 distribuida en un área de 10 km de diámetro corresponde a un nivel de potencia total de 750 megavatios. Este es el nivel de potencia que se encuentra en muchas plantas modernas de energía eléctrica.
... La
transmisión inalámbrica de alta potencia con microondas está bien probada. Se han realizado experimentos en decenas de kilovatios en Goldstone en California en 1975 y más recientemente (1997) en Grand Bassin en la Isla de la Reunión. Estos métodos alcanzan distancias del orden de un kilómetro.

Láser

Las ventajas de la transferencia de energía basada en láser en comparación con otros métodos inalámbricos son:

1. La propagación de frente de onda monocromática colimada permite un área de sección transversal de haz estrecho para la transmisión de energía a grandes distancias.
2. tamaño compacto de láser de estado sólido-diodos semiconductores fotovoltaicos encajan en productos pequeños.
3. sin interferencias de radiofrecuencia en las comunicaciones de radio existentes, como Wi-Fi y teléfonos celulares
4. control de acceso; solo los receptores iluminados por el láser reciben energía.

Sus inconvenientes son:

1. La radiación láser es peligrosa, incluso a bajos niveles de potencia puede cegar a personas y animales, y a niveles de alta potencia puede matar a través de la calefacción localizada.
2. La conversión a la luz, como con un láser, es ineficiente
3. La conversión de nuevo a electricidad es ineficiente, ya que las células fotovoltaicas logran una eficiencia del 40% al 50%. (Tenga en cuenta que la eficiencia de conversión es bastante mayor con luz monocromática que con la insolación de paneles solares).
4. La absorción atmosférica, y la absorción y dispersión por nubes, niebla, lluvia, etc., causan pérdidas, que pueden ser de hasta el 100% de pérdida.
5. Al igual que con la emisión de microondas, este método requiere una línea de visión directa con el objetivo.

Y, por supuesto, existe el método de "carga perturbada de tierra y aire" utilizado por Tesla. En lo que respecta al sistema Tesla, se cerró porque los fondos se agotaron y el mercado de valores se derrumbó . En cuanto a por qué no se ha intentado desde entonces, se debe principalmente a que dicho sistema no puede medirse estrictamente. Por lo tanto, las compañías eléctricas no podían cobrar por uso y ganar mucho dinero. Sin una forma de monetizar la tecnología, nunca se realizará ninguna inversión en investigación y desarrollo. Esa es la teoría (conspiración), de todos modos. Aunque hay muchas otras razones por las cuales este método es inviable o simplemente no funcionaría.

No pude encontrar un artículo con números definitivos en cuanto a eficiencia. Pero supongo que la eficiencia es la razón principal por la que no ve esta tecnología en un uso más extendido. Sin embargo, existe, las personas como yo (léase: no rico) tienen acceso a él, y funciona bastante bien.

Editar:

Encontré un estudio de caso realizado por Wireless Power Consortium, fabricantes de cargador qi para mi teléfono, que dice (énfasis mío):

En esta sección comparamos el consumo total de energía en un período de 5 años.

Caso de estudio:

Eficiencia promedio del sistema del cargador inalámbrico N sys-wireless = 0.50 (50%)

Media de la eficiencia del sistema de cable adaptador de alimentación de N sys-cableado = 0,72 (72%) Supongamos que la potencia media de carga es 2W.

Por lo tanto, la parte cableada de su sistema tiene una eficiencia del 72% y la parte inalámbrica tiene una eficiencia del 50%. Eso es usar un método inductivo donde las bobinas están separadas unos pocos milímetros. Compare eso con el WiTricity de Joel, que establece una eficiencia del 40% en 2 metros.

Tenga en cuenta los costos adicionales asociados con la circuitería y los componentes adicionales para un sistema inalámbrico en comparación con el costo de una longitud de cable de cobre y puede ver por qué la transferencia de energía inalámbrica a larga distancia todavía se considera poco práctica para el uso en el mercado masivo.

Si irradia energía esféricamente (igual en todas las direcciones), la energía recibida en el otro extremo será proporcional al porcentaje de la esfera cubierta por el receptor. Cuanto más lejos esté, menos energía capturará para una antena del mismo tamaño, proporcional a 1 / r ^ 2. El resto de la energía se desperdicia en el espacio libre. Este es un modelo masivamente simplificado, por supuesto. Si sabes dónde está el receptor, harías direccional el transmisor, usarías resonancia, etc., pero entiendes la idea. La energía inalámbrica no llega mágicamente a su receptor con una eficiencia del 100%. Además de eso, tiene un circuito de conversión de energía que tampoco es 100% eficiente.

Si enviar y recibir están separados por milímetros y los niveles de energía son bajos, como en un cepillo de dientes o base para teléfono, entonces la eficiencia es tolerable y la energía perdida no cuesta mucho. Un cepillo de dientes solo cuesta centavos al año para mantenerse cargado, por lo que vale la pena cambiar el costo de energía adicional por la impermeabilización del producto para un ambiente de baño. Una almohadilla debajo de su automóvil eléctrico que transmite miles de vatios sobre un pie de distancia al suelo desperdiciaría decenas de dólares al mes en costos de energía en comparación con enchufarla. Intentar hacer funcionar una secadora de ropa directamente desde la torre de una compañía eléctrica en la cima de una colina a millas de distancia Simplemente no funcionaría.

Todavía podemos ver que la energía inalámbrica o ambiental se vuelve popular para dispositivos integrados pequeños, como un microcontrolador de baja potencia que monitorea algo. Si el consumo de energía del microcontrolador se reduce lo suficiente, puede funcionar continuamente desde un pequeño panel solar, una bobina de cable como en una placa RFID, dispositivo piezoeléctrico, etc. La energía podría aprovecharse de las señales WiFi, el calor, el movimiento mecánico u otras formas que no se usan hoy en día porque los niveles de potencia son demasiado bajos para ser útiles. La transmisión de datos recopilados a través de, por ejemplo, Bluetooth LE requiere mucha más energía que simplemente ejecutar el microcontrolador, por lo que las ráfagas de transmisión deben ser cortas e infrecuentes, con algo de almacenamiento de energía (condensador) llenándose lentamente en el medio. Este es el reino de los microvatios o quizás los nanovatios, así que olvídate de tener tu teléfono celular cargado continuamente mientras caminas.

La razón por la que no distribuimos energía como Tesla había intentado es porque no funciona. Básicamente es una idea tonta porque:

1. La potencia disponible en cualquier volumen fijo disminuye con el cubo de la distancia desde el transmisor. Digamos, por ejemplo, que podría extraer 100 kW de un metro cúbico a 10 metros del transmisor. A 100 metros, eso sería 100 W. A 200 metros, 12.5 vatios, lo cual es apenas suficiente para alimentar una luz.

2. No hay forma de medir el uso individual, entonces, ¿cómo cobran a las personas? No puedes esperar que pague solo porque levantaste una torre. Puedo afirmar que nunca usé nada del poder, y no puedes probar lo contrario.

3. Realmente no sabemos cuáles son los efectos en la salud de la exposición a largo plazo a campos eléctricos significativamente potentes. Piénsalo. Si se supone que una bombilla intercepta el poder de este campo para encenderse, ¿cómo se supone que su cuerpo no debe interceptar algo de energía?

4. ¿Cómo evita que un objeto ordinario que tiene las propiedades eléctricas correctas intercepte la energía y se caliente? Tendría que tener mucho cuidado con el uso de cualquier material que no sea un buen aislante. Tendría que tener en cuenta su tamaño, orientación e impedancia con cuidado para evitar que tome el poder del campo E a su alrededor. Piensa en todos los objetos de metal que das por sentado. Incluso una lata de refresco de aluminio podría ser un problema.

5. Es terriblemente ineficiente, incluso si funcionó. Habrá muchos objetos ordinarios como en el # 4 anterior. Y mucho menos lo que les sucede a esos objetos cuando interceptan este poder, pero piensen en el enorme desperdicio de poder del lado del productor. Cada rama de árbol mojada, el suelo y todo tipo de cosas tomarán energía de este campo E.

Como dije, es una idea tonta, y fue una idea tonta cuando Tesla también lo intentó, como algunas de sus propias ecuaciones deberían haberle dicho.

Consejo:

A ver si entiendo esto correctamente. Si tiene radiación u ondas electromagnéticas procedentes de su sistema, ¿se desperdicia la energía?

Tesla

Absolutamente desperdiciado. De mi circuito puede obtener ondas electromagnéticas, 90 por ciento de las ondas electromagnéticas si lo desea, y 10 por ciento en la energía actual que pasa a través de la tierra. O bien, puede revertir el proceso y obtener el 10 por ciento de la energía en ondas electromagnéticas y el 90 por ciento en energía de la corriente que pasa a través de la tierra.

Es así: he inventado un cuchillo. El cuchillo puede cortar con el filo. Le digo al hombre que aplica mi invento que debes cortar con el filo. Sé perfectamente que puedes cortar mantequilla con el borde romo, pero mi cuchillo no está destinado a esto. No debe hacer que la antena emita un 90 por ciento en ondas electromagnéticas y un 10 por ciento en ondas de corriente, porque las ondas electromagnéticas se pierden cuando se encuentra a unos pocos arcos alrededor del planeta, mientras que la corriente viaja a la mayor distancia del globo y puede ser recuperado

Esta vista, por cierto, ahora está confirmada. Tenga en cuenta, por ejemplo, el tratado matemático de Sommerfeld, [*] que muestra que mi teoría es correcta, que tenía razón en mis explicaciones de los fenómenos y que la profesión estaba completamente equivocada. Esta es la razón por la cual estos seguidores míos en las corrientes de alta frecuencia han cometido un error. Querían hacer alternadores de alta frecuencia de 200,000 ciclos con la idea de que producirían ondas electromagnéticas, 90 por ciento en ondas electromagnéticas y el resto en energía actual. Solo usé alternancias bajas, y produje 90 por ciento en energía actual y solo 10 por ciento en ondas electromagnéticas, que se desperdician, y es por eso que obtuve mis resultados. . . .

Verá, el aparato que he ideado fue un aparato que le permite a uno producir enormes diferencias de potencial y corrientes en un circuito de antena. Estos requisitos deben cumplirse, tanto si transmite por corrientes de conducción como si transmite por ondas electromagnéticas. Desea corrientes de alto potencial, desea una gran cantidad de energía vibratoria; pero puedes graduar esta energía vibratoria. Mediante el diseño adecuado y la elección de las longitudes de onda, puede organizarlo de modo que obtenga, por ejemplo, 5 por ciento en estas ondas electromagnéticas y 95 por ciento en la corriente que atraviesa la tierra. Eso es lo que estoy haciendo. O puede obtener, como estos radio hombres, el 95 por ciento en la energía de las ondas electromagnéticas y solo el 5 por ciento en la energía de la corriente. . . . El aparato es adecuado para uno u otro método. No estoy produciendo radiación con mi sistema; Estoy suprimiendo las ondas electromagnéticas. . . . En mi sistema, deberías liberarte de la idea de que hay radiación, que la energía se irradia. No se irradia; Se conserva. . . .

¡Tesla no era estúpido!

:)

Leí en alguna parte que lo detuvo por temor a los efectos físicos que el sistema podría tener sobre nosotros. Al final, creo que si dijera que funcionaría, funcionará ... tengo que ir con el tipo que inventó la electricidad tal como la usamos hoy en día ... y la radio ... y los rayos X ... ¡Lástima que todavía no esté cerca, los avances que haría hoy!