Árið 1899 þeyttust 6 m langir neistar milli spólanna á rannsóknarstofu Tesla í Colorado, BNA.

Það tekur á taugarnar þegar farsíminn verður rafmagnslaus hafi maður gleymt að hlaða hann. Það væri nokkuð sniðugt ef að slík tól gætu hlaðið sig sjálf, t.d. ef rafmagnstæki gætu bara sogað til sín orku eftir þörfum, svo að maður þurfi ekki á innstungu og hleðslutæki að halda.

Það voru slíkar vangaveltur sem urðu til að Marin Soljacic frá hinu Bandaríska Massachusetts Institute of Technologie (MIT) tók til við að rannsaka hvort lögmál eðlisfræðinnar geti í raun leift hagnýtan flutning orku gegnum loftið. Að sjálfsögðu með þeim hætti að það skaði ekki menn.

Soljacic og tveir samstarfsfélagar hans, Aristeidis Karalsi og John Joannopoulos komust að því að slíkt er hægt. Þráðlaus yfirfærsla orku yfir margra metra fjarlægð er algjörlega raunhæf.

Fræðimenn ganga út frá endurvarpi

Það er ekki neitt nýstárlegt eða dularfullt við tilfærslu orku gegnum loft. Þegar sólin skín, merkjum við hita hennar og þá hefur orkan í formi rafsegulbylgna ferðast margar milljónir km í gegnum geiminn til að ná til okkar.

Hins vegar getum við ekki leyft okkur að vera jafn eyðslusöm með orkuna og sólin. Við höfum þörf fyrir samþjappaðri orkuflutning frá einum stað til annars. Vandamálið með orkuyfirfærslu með rafsegulgeislun hefur einmitt verið hve mikil orka fer forgörðum, því geislarnir hafa tilhneigingu til að dreifast út í allar áttir. Takist manni endanlega að safna geislunum saman og senda þá í tiltekna átt, eins og er tilfellið með leysigeisla og örbylgjur, verða aðrar hindranir í veginum. Það má nefnilega ekki vera nokkur fyrirstaða á vegi geislana, og þeir þurfa að stefna afar nákvæmlega í átt að viðtaka orkunnar. Auk þess getur það verið skaðlegt heilsu manna að verða fyrir öflugri geislun.

Sérfræðingarnir við MIT telja sig hafa ráðið bug á þessu. Allavega hvað varðar miðlungs fjarlægðir. Fræðimennirnir ganga út frá raunverulegu fyrirbæri sem nefnist „samsveifla“ og þeir komust að því að rafsegulsvið getur borið orku milli tveggja loftneta með sömu samsveiflutíðni.

Rafhlaðan endurhlaðin án leiðslu

Loftnet sendir rafsegulgeislun þegar straumur er settur á það, og með réttri mótun loftnetsins getur það tengst samsvarandi loftneti þannig að orka flytjist milli þeirra. Viðtökuloftnetið getur síðan séð öðru raftæki fyrir straumi.

Stærðfræðileg líkön sýna að hið sérstaka rafsegulsvið sem myndast milli tveggja fyrirbæra með sömu samsveiflu getur náð yfir marga metra. Maður getur því fengið straum í fartölvuna sína með því að vera á sama stað og sú spóla sem sendir út orkuna.

Snilldin við þennan máta á þráðlausri orkuyfirfærslu er að hún á sér einungis stað milli tveggja loftneta með sömu samsveiflu. Ef ekkert hæfilegt viðtökuloftnet er í nágrenninu fer engin orka til spillis – hún er bara gleypt aftur upp af sendiloftnetinu. Þetta þýðir einnig að aðeins örlítill hluti orkunnar getur miðlast í framandi fyrirbæri eins og t.d. mannslíkamanum, sem hefur ekki sömu samsveiflu. Þetta skiptir af sjálfsögðu sköpum hvað heilbrigði manna varðar.

Fram til þessa hafa vísindamenn aðeins náð að reikna út eðlisfræðina og hanna hermilíkön á tölvum. Næsta skref er að útbúa eiginlega frumgerð til að sýna að tæknin virki í raun og veru.

Mikið er í húfi hvað varðar þráðlausan straum. Í fyrstu er ætlunin að losna við öll þau hleðslutæki sem fylgja rafbúnaði og eru að fylla hvert heimili. Farsímar, fartölvur, MP3 – spilarar, stafrænar myndavélar, rafmagnstannburstar svo fátt eitt sé nefnt þarf að hlaða með reglulegu millibili og það myndi létta mörgum lífið ef öll þessi tól gætu hlaðið sig sjálf þráðlaust.

Ryksuguvélmenni eru einnig heppilegir móttakarar þráðlausrar orku og sé litið út fyrir heimilið má ímynda sér hóp sjálfkeyrandi vélmenna sem aka um á verksmiðjugólfinu og taka við orku eftir þörfum frá miðlægu sendiloftneti. Fræðimenn ímynda sér einnig að tæknina megi nýta við að aka strætisvögnum sem fá straum frá loftnetum á leiðum sínum.

Tesla dreymdi um þráðlaust samfélag

Þessar nýju rannsoknarniðurstöður eru byltingarkenndar hvað varðar þráðlausa yfirfærslu orku, en hugmyndin er hreint ekki ný af nálinni. Við lok nítjándu aldar dreymdi hinn snjalla umfinningamann Nicola Tesla um þráðlausan heim, þar sem upplýsingar sem og orka gætu farið manna í millum þráðlaust.

Áætlanir Tesla gengu út á að losna við rafmagnsleiðslur með því að nýta yfirborð jarðar ásamt lofthjúp sem rafleiðara. Hann áleit sig færan um að senda ótakmarkað magn orku til hvaða staðar sem er á jörðinni. Um aldamótin fann hann upp útvarpssamskipti, og hann var ekki í nokkrum vafa um að þessi nýja tækni gæti þróast þannig að unnt væri að flytja orku þráðlaust til allra raftækja heims.

Í maí 1899 kom Tesla á laggirnar stórri rannsóknarstöð nærri Colorado Springs í BNA. Þar gerði hann fjölmargar tilraunir með rafmagn. Hann var innblásinn af eldingum og fann upp tæki sem gátu myndað hátíðnivíxlstraum og byggt upp margra milljóna volta spennu.

Tesla vildi pumpa jörðina fulla af raforku og leitast við að safna orkunni annars staðar saman. Ekki er vitað hversu vel honum miðaði með þetta ætlunarverk sitt, en samkvæmt honum sjálfum gat hann myndað ljós í þess tíma útgáfu af neon - ljósi með því að veita því orku frá tilraunastöð í margra km fjarlægð. Í öllu falli gat hann hrifið hug samtímamanna sinna með því að skapa gervieldingu.

Tannburstar hlaða sig án innstungu

Tilraunirnar í Colorado efldu hug Tesla og í upphafi 20. aldar flutti hann sig um set til Long Island í New York. Þar hófst hann handa við byggingu á risavöxnum sendi í formi 57 metra hás turns með feikistórum málmkúpli á toppnum.

Tesla vildi í fyrstu nýta turninn sem útvarpssendi og senda boð yfir Atlantshafið, en endanlegt markmið hans með rannsóknunum var enn dreifing orku til allra heimshluta án þess að nota kapla. Þetta kann að hljóma sem fjarstæðukennd hugmynd, en í reynd móttekur maður þráðlausa orku í sérhvert sinn sem hlustað er á útvarp. Útvarpsbylgjur eru hinsvegar ekki gagnlegar þegar kemur að því að flytja orku þar sem langmestur hluti orkunnar fer til spillis.

Turninn var aldrei fullbygður því eftir tvö ár drógu fjárfestar sig með J. P. Morgan í fararbroddi út úr verkefninu. Því tókst Tesla aldrei að sanna tilgátu sína um að yfirfærsla orku um yfirborð jarðar sé heppilegasta leiðin við að veita fyrirtækjum og heimilum ódýrt rafmagn. Ekki reyndist unnt að dreifa orku eftir jörðu eða lofthjúp á hagnýtan máta og því erum við enn bundin við raflagnir til að fá rafmagn, sem er jú óhjákvæmilegt í samfélagi nútímans.

Orku er einungis hægt að flytja yfir stuttar fjarlægðir með aðstoð rafsegulbylgna – allavega eigi slíkt að gerast án þess að mikil orka fari til spillis. Nú á dögum finnast þegar fjölmörg tæki sem virka án þess að vera í beinu rafsambandi. T.d. eru rafmagnstannburstar til sem hlaði sig með spani þar sem tannburstanum er bara komið fyrir í plastmáli. Þetta er unnt því rafmagn og segulmagn eru tvær hliðar á sama fyrirbæri. Rafstraumi má breyta í segulmagn og öfugt. Í hleðslutækinu er spóla sem umbreytir straumi í segulmagn. Segulsviðið er sogað upp af samsvarandi spólu í tannburstanum og umbreytist aftur í rafmagn þar, og rafhlaðan hleðst upp.

Þetta er þó aðeins mögulegt fyrir stuttar vegalengdir en tæknin getur engu að síður sparað okkur margar leiðslur. Fleiri fyrirtæki hafa þróað spanplötur sem eru tengdar rafkerfum og eiga að koma í stað margra hleðslutækja sem smám saman safnast upp. Hugmyndin er að maður geti einfaldlega lagt tækið sitt á plötuna þegar endurhlaða þarf það og síðan sér span – tenging um afganginn.

Þráðlaus straumur léttir manni lífið

Að líkindum er þess ekki langt að bíða áður en við fáum fyrstu tækin með spanplötu í staðinn fyrir hleðslutæki, en hins vegar mun trúlega líða langur tími áður en almenn þráðlaust tæki koma á markaðinn. Slík hleðsla á rafhlöðum krefst nefnilega þess að öll raftól hýsi litla spólu og það er hægara sagt en gert að fá framleiðendur rafmagnstækja til að sameinast staðla. Sömu vandamál lúta að hinni nýju langdrægari þráðlausu tækni, sem fræðimennirnir við MIT hafa þróað, en þar er líka meira í húfi. Árangursríkur og skaðlaus þráðlaus flutningur orku mun án vafa gera okkur lífið léttara. Þá þarf ekki lengur að hafa áhyggjur af hleðslu farsímans því hún gerist sjálfkrafa þegar við opnum dyrnar að heimilinu.