Елена Гаура и Джеймс Питер Брузи из Университета Ковентри исследуют, как современные технологии мобильной связи 5G могут стать тем, чего когда-то пытался достичь Тесла.
На пике своей карьеры новаторский инженер-электрик Никола Тесла был одержим одной идеей. Он предположил, что электричество может передаваться по воздуху на большие расстояния по беспроводной сети – либо через серию стратегически расположенных башен, либо через систему воздушных шаров.
Но планам не суждено было сбыться и амбиции Теслы по созданию беспроводного глобального электроснабжения так и не были реализованы. Хотя сама теория не была опровергнута: для этого просто потребовалось бы невероятное количество энергии, большая часть которой была бы потрачена впустую.
В исследовании из Ковентри говорится, что архитекторы сети 5G, возможно, невольно построили то, что Тесла не смог построить на рубеже двадцатого века: “беспроводную электросеть”, которую можно было бы адаптировать для зарядки или питания небольших устройств, встроенных в автомобили, дома, офисы или фабрики.
Содержание
Поскольку 5G полагается на плотную сеть мачт и мощных антенн, то вполне возможно, что та же самая инфраструктура, с некоторыми настройками, могла бы передавать напряжение на небольшие устройства. Но передача по-прежнему будет страдать от ключевого недостатка башен Теслы: больших потерь энергии, которые может быть трудно оправдать с учетом пристального общественного внимания к изменению климата.
Сети 5G
Десятилетия назад было обнаружено, что сильно сфокусированный радиолуч может передавать энергию на относительно большие расстояния без использования провода для переноса заряда. Та же технология теперь используется в сети 5G: технология последнего поколения для передачи интернет-соединения на ваш телефон с помощью радиоволн, передаваемых от местной антенны.
Эта технология 5G нацелена на увеличение пропускной способности в 1000 раз по сравнению с последним поколением 4G, что позволит подключать до одного миллиона пользователей на квадратный километр. Это снимает проблемы плохой связи в местах большого скопления людей, например, на музыкальных фестивалях или спортивных мероприятиях.
Для поддержки этих новаций 5G использует некоторую инженерную магию, и это волшебство состоит из трех частей: очень плотные сети с большим количеством мачт, специальная антенная технология и передача сигнала на миллиметровых волнах (mmWave) наряду с более традиционными диапазонами.
Микроволны имеют гораздо большую полосу пропускания за счет более коротких расстояний передачи. Для понимания, большинство маршрутизаторов WiFi работают в диапазоне 2 ГГц. Если у вашего маршрутизатора есть опция 5 ГГц, вы заметите, что скорость соединения выше и стабильнее, но при этом вам нужно быть ближе к маршрутизатору, чтобы он поймать сигнал.
Увеличьте частоту еще больше (например, mmWave, которая работает на частоте 30 ГГц или более), и вы увидите еще большее улучшение полосы пропускания, но вам нужно будет быть еще ближе к базовой станции, чтобы получить к ней доступ. Вот почему мачты 5G должны быть расположены более плотно, чем мачты 4G связи.
Поэтому необходимо добавить намного больше передающих антенн – от 128 до 1024 по сравнению с гораздо меньшим числом (в некоторых случаях всего двумя) для 4G. Множественные антенны позволяют мачтам образовывать сотни прямых “карандашных” лучей, нацеленных на определенные устройства, обеспечивая эффективный и надежный доступ в Интернет для вашего телефона в дороге.
Это те же самые сырые ингредиенты, которые необходимы для создания беспроводной электросети Теслы. Повышенная плотность сети особенно важна, поскольку открывает возможность использования диапазонов миллиметровых волн для передачи различных радиоволн, которые могут передавать как подключение к Интернету, так и электроэнергию.
Эксперименты с мощностью 5G
В современных экспериментах по передаче энергии использовались новые типы антенн для облегчения беспроводной зарядки. В лаборатории исследователи смогли передать мощность 5G на относительно короткое расстояние, чуть более 2 метров, но они ожидают, что будущая версия их устройства сможет передавать заряд в 6 микроватт (6 миллионных долей ватта) на расстояние до 180 метров.
Чтобы представить это в контексте, обычные устройства Интернета вещей (IoT) потребляют около 5 микроватт – но только в самом глубоком экономном спящем режиме. Конечно, устройства IoT будут требовать все меньше и меньше энергии для работы по мере разработки умных алгоритмов и более эффективной электроники, но 6 микроватт – это все еще очень мало.
Это означает, что, по крайней мере, на данный момент, беспроводное электропитание с помощью сетей 5G вряд ли будет практичным для зарядки вашего мобильного телефона в повседневной жизни. Но оно уже может заряжать или питать устройства Интернета вещей, такие как датчики и сигнализация, которые, как ожидается, получат широкое распространение в будущем.
Например, на заводах сотни датчиков IoT, вероятно, будут использоваться для мониторинга условий на складах, для прогнозирования отказов в оборудовании или для отслеживания движения деталей по производственной линии. Возможность передавать питание напрямую на эти устройства IoT будет стимулировать переход к гораздо более эффективным методам производства и избавиться от тысяч километров проводов.
Проблемы болезни роста
Но до этого нужно будет преодолеть определенный трудности. Для обеспечения беспроводной связи мачты 5G будут потреблять около 31 кВт энергии, что эквивалентно 10 чайникам с постоянно кипящей водой.
Хотя опасения, что технология 5G может вызвать рак, были неоднократно опровергнуты учеными, но все же такое количество энергии, исходящее от передающих мачт, может быть небезопасным. Приблизительный расчет предполагает, что человеку будет опасно находиться ближе 16 метров к работающей мачте.
Надо понимать, что эта технология находится еще в зачаточном состоянии. Конечно же, будущие улучшения, такие как новая антенна с более узкими и более направленными лучами, могут значительно снизить энергию, требуемую – и теряемую – каждой мачтой.
Поскольку пока попытки передать электроэнергию через сеть 5G к устройству потребляет гораздо больше энергии по сравнению с передаваемой мощностью, все разговоры о беспроводном питании 5G являются спекуляциями и планами на будущее. Но если инженеры смогут найти более эффективные способы передачи электричества по воздуху, то вполне возможно, что мечта Николы Теслы о беспроводной энергии может быть реализована – спустя более 100 лет после того, как его попытки потерпели неудачу.
Читайте также: Таинственная машина землетрясения Николы Теслы