Bardzo aktualnym zagadnieniem współczesnej energetyki jest bezprzewodowe przesyłanie energii elektrycznej na potrzeby przemysłu, transportu i odbiorców indywidualnych. Idea ta nie jest nowa. Już ponad sto lat temu Nikola Tesla prowadził eksperymenty nad przesyłaniem energii elektrycznej bez wykorzystania tradycyjnych przewodów. W swoich wizjach dostrzegał możliwość stworzenia systemu, który pozwoliłby dostarczać energię na duże odległości bez budowania rozległej sieci kablowej. Choć jego najbardziej ambitne koncepcje nie zostały zrealizowane w zakładanej skali, postawiony przez niego problem pozostaje aktualny do dziś.
W tej dziedzinie osiągnięto już znaczący postęp, jednak w odniesieniu do potrzeb współczesnego przemysłu i globalnej energetyki jest on wciąż niewielki. Bezprzewodowo można już zasilać wybrane urządzenia elektryczne, ładować akumulatory, a przy zastosowaniu odpowiednich technologii przesyłać energię na znaczne odległości. Nadal jednak podstawowe pytania dotyczą skali tego procesu: jaką moc można przesłać, na jaką odległość, z jaką sprawnością i przy jakich kosztach?
Jedną z najprostszych metod jest indukcja elektromagnetyczna. Wykorzystuje się ją w ładowarkach bezprzewodowych, szczoteczkach elektrycznych oraz niektórych systemach ładowania pojazdów. Zmienny prąd płynący w cewce nadajnika wytwarza zmienne pole magnetyczne, które indukuje napięcie w cewce odbiorczej. Rozwiązanie to jest skuteczne przede wszystkim na niewielkich odległościach, zwykle od milimetrów do kilku centymetrów, choć szczegóły zależą od konstrukcji urządzenia.
Kolejną możliwością jest sprzężenie rezonansowe. Dwie odpowiednio dostrojone cewki mogą przekazywać energię efektywniej również wtedy, gdy dzieli je większa odległość niż w typowych układach indukcyjnych. Technologia ta znajduje zastosowanie w wybranych systemach zasilania i jest rozwijana między innymi z myślą o ładowaniu pojazdów elektrycznych. W zależności od parametrów układu przesyłanie energii może odbywać się na odległość od centymetrów do metrów.
Inną drogą jest wykorzystanie mikrofal i fal radiowych. W takim systemie energia elektryczna zostaje zamieniona na falę elektromagnetyczną, która przemieszcza się w przestrzeni i dociera do odbiornika wyposażonego w odpowiednią antenę. Następnie specjalny układ, na przykład prostująca antena zwana «rectenną», przekształca odebraną energię elektromagnetyczną z powrotem w energię elektryczną. Metoda ta daje możliwość przesyłania energii na większe odległości, ale wymaga odpowiedniego kierowania wiązki, właściwie zaprojektowanych anten i uwzględnienia strat powstających podczas całego procesu.
Rozważa się również przesyłanie energii za pomocą wiązki laserowej. W tym przypadku energia elektryczna jest zamieniana na światło, kierowane następnie na odbiornik fotowoltaiczny, który przekształca je ponownie w energię elektryczną. Przy odpowiednich warunkach można w ten sposób przesyłać energię na odległość od metrów do kilometrów. Rozwiązanie wymaga jednak precyzyjnego celowania, odpowiednich warunków propagacji światła i zabezpieczeń chroniących ludzi oraz inne obiekty.
Niezależnie od wybranej metody kluczowe znaczenie ma ilość energii, którą można rzeczywiście dostarczyć odbiorcy. Nie wystarczy bowiem wykazać, że energia może pokonać określoną odległość. Trzeba jeszcze ustalić, jaka część energii pobranej przez nadajnik dotrze do odbiornika w postaci użytecznej. Im większa odległość, tym trudniejsze może być utrzymanie odpowiedniej sprawności i skoncentrowanie energii na niewielkim obszarze. Znaczenie mają również moc nadajnika, wielkość anten lub innych elementów układu, warunki atmosferyczne, koszty instalacji oraz bezpieczeństwo otoczenia.
Z tego względu bezprzewodowe przesyłanie dużych ilości energii pomiędzy miastami nie stanowi obecnie powszechnej alternatywy dla tradycyjnych linii energetycznych. W przypadku przesyłu przemysłowego przewody i linie wysokiego napięcia są zazwyczaj rozwiązaniem bardziej dojrzałym technicznie i ekonomicznie. Nie oznacza to jednak, że bezprzewodowy przesył energii nie ma przyszłości. Może okazać się szczególnie przydatny tam, gdzie budowa połączeń kablowych jest trudna, kosztowna lub niemożliwa.
Jedną z najbardziej ambitnych koncepcji są elektrownie słoneczne umieszczone na orbicie okołoziemskiej. Instalacje takie mogłyby pozyskiwać energię słoneczną, a następnie przesyłać ją na Ziemię za pomocą odpowiednio ukierunkowanych wiązek mikrofalowych. W przestrzeni kosmicznej nie występują niektóre ograniczenia związane z atmosferą i cyklem dnia oraz nocy, dlatego koncepcja ta jest przedmiotem badań. Jej realizacja wymagałaby jednak rozwiązania wielu trudnych problemów technicznych, ekonomicznych i związanych z bezpieczeństwem.
Warto przy tym odróżnić bezprzewodowe przesyłanie informacji od bezprzewodowego przesyłania energii. Przekazanie sygnału radiowego wymaga zwykle znacznie mniejszej mocy niż dostarczenie odbiorcy energii wystarczającej do zasilania urządzenia przemysłowego. Dlatego fakt, że potrafimy komunikować się na ogromne odległości za pomocą fal elektromagnetycznych, nie oznacza automatycznie, że równie łatwo możemy w ten sposób zasilać całe zakłady przemysłowe czy miasta.
Bezprzewodowe przesyłanie energii pozostaje zatem jednym z interesujących kierunków rozwoju energetyki. Jego znaczenie może wzrastać wraz z postępem w dziedzinie materiałów, elektroniki mocy, anten, układów sterowania i magazynowania energii. Być może w przyszłości rozwiązania te znajdą znacznie szersze zastosowanie, niż pozwalają na to obecne możliwości techniczne.
Wizja Tesli przypomina nam, że rozwój techniki często zaczyna się od pytań, które w danej epoce wydają się zbyt śmiałe. Nie oznacza to, że każda futurystyczna koncepcja okaże się praktyczna, ale warto ją badać i oceniać na podstawie osiąganych wyników. Ostatecznym celem nie jest bowiem samo przesłanie energii bez przewodu, lecz dostarczenie jej tam, gdzie jest potrzebna — w odpowiedniej ilości, bezpiecznie, niezawodnie i przy możliwie najmniejszych stratach.
Jeszcze bardziej dalekosiężną koncepcją jest pozyskiwanie energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej. Na orbicie można umieścić rozległe panele fotowoltaiczne, a wytworzoną energię przekształcać w mikrofale i przesyłać do naziemnej stacji odbiorczej. Zaletą takiego rozwiązania byłaby możliwość pozyskiwania promieniowania słonecznego przez dłuższy czas niż w przypadku typowej instalacji naziemnej. Wadami pozostają jednak koszty wynoszenia i montażu konstrukcji na orbicie, konieczność utrzymania całego systemu oraz straty podczas kolejnych przemian energii. Nie jest to więc proste zastąpienie ziemskich elektrowni, lecz koncepcja wymagająca dalszych badań i rozwoju technologicznego.
W mojej wizji bezprzewodowe przesyłanie energii można przesyłać do pojazdów mechanicznych. W dalszej perspektywie energia można by być użyta do pokonywania grawitacji, co przełożyłoby się na udoskonalenie pojazdów lotniczych.
Rozpatrując możliwość bezprzewodowego przesyłania energii na duże odległości, należy uwzględnić podstawowe prawa fizyki. Energia nie przemieszcza się w taki sposób jak w przewodzie elektrycznym, lecz może być przenoszona przez pole elektromagnetyczne. W zależności od zastosowanej metody energia może być przekazywana za pośrednictwem pola magnetycznego, fal radiowych, mikrofal lub światła. Każda z tych metod ma inne właściwości i ograniczenia.
Przyszłość może zatem nie polegać na całkowitym zastąpieniu przewodów, lecz na rozsądnym połączeniu obu rozwiązań. Sieci kablowe mogą nadal odpowiadać za podstawowy przesył energii, natomiast technologie bezprzewodowe mogą uzupełniać je tam, gdzie zapewniają rzeczywistą korzyść. Właśnie takie podejście pozwala oddzielić fascynującą wizję techniczną od rozwiązania, które można bezpiecznie i ekonomicznie wykorzystać w praktyce.