Come funziona la ricarica wireless? Spiegazione scientifica

Spesso sentiamo parlare o utilizziamo la ricarica wireless, ma come funziona davvero? Ve lo spieghiamo in termini scientifici

Tutti i dispositivi elettronici richiedono una fonte di alimentazione. La maggior parte dei device può essere semplicemente collegata a una presa a muro e il gadget non esaurirà mai la sua batteria. I dispositivi portatili, tuttavia, richiedono fonti di elettricità portatili, di solito sotto forma di batterie. Mentre molti dispositivi leggeri accettano batterie usa e getta, un numero crescente si affida a pacchetti ricaricabili integrati che possono essere periodicamente ricaricati.

Inizialmente, le batterie built-in venivano ricaricate principalmente collegandole alle prese a muro tramite cavi. Questa tecnica è ancora comune, ma la ricarica wireless sta rapidamente diventando più popolare. A differenza della ricarica cablata, non devi collegare il tuo dispositivo alimentato a batteria a qualcosa, ma questo solleva più domande di quante ne risponda.

Ad esempio, se non stai collegando il tuo dispositivo a una presa a muro o a una presa di corrente, come fa l’elettricità a scorrere nella batteria? Tutti i nostri insegnanti di scienze ci hanno detto a scuola che hai bisogno di una connessione fisica per creare un circuito, è una menzogna? Beh, no, ma la ricarica wireless va oltre le lezioni di scienze delle scuole superiori. Per capire come funziona questa tecnologia, hai bisogno di una laurea in ingegneria. Naturalmente, se non vuoi passare quattro anni della tua vita tra stress e fatica e migliaia di euro per ottenerne una, puoi sempre leggere questo articolo.

Cos’è la ricarica wireless?

A prima vista, la ricarica wireless è un concetto semplice, ma come i dispositivi che rendono possibile la ricarica wireless, più ti immergi nell’argomento, più diventa complicato.

La ricarica wireless – nota anche come trasferimento di energia wireless o trasmissione di energia wireless – è il trasferimento di elettricità da una fonte a un ricevitore senza fili che collegano i due. Poiché la ricarica wireless non richiede l’inserimento di un cavo nel dispositivo che si sta accendendo, questo metodo di rifornimento di energia ha diversi vantaggi. Non è necessario collegare e scollegare costantemente i fili per caricare il dispositivo, riducendo l’usura del cavo e della presa. Inoltre, la maggior parte dei caricabatterie wireless sono sigillati, quindi non devi preoccuparti di prendere la scossa accidentalmente toccandone uno, anche se ci sono eccezioni a questa regola.

Al suo centro, la ricarica wireless è un termine abbastanza generico. Il metodo esatto assume una varietà di forme, ognuna con i propri pro, contro e meccaniche. Oltre a trasferire o almeno utilizzare l’elettricità, l’unico fattore che tutti i caricabatterie wireless hanno in comune è la facilità di uso.

Come funziona generalmente la ricarica wireless

Se sai come funziona una radio, sai come funziona un caricabatterie wireless. Beh, in realtà è una semplificazione eccessiva, ma non di molto.

Per dirla nel modo più semplice possibile, un caricabatterie wireless prende una corrente elettrica alternata, utilizza un convertitore di frequenza per cambiare l’energia in un mezzo che non richiede fili, e poi trasmette quel mezzo attraverso un elemento di accoppiamento. Un ricevitore, che di solito rispecchia l’elemento di accoppiamento, accetta quindi il campo elettromagnetico che è stato creato prima di spingerlo attraverso un convertitore di frequenza per cambiarlo di nuovo in una corrente alternata, e infine spara quell’elettricità nel dispositivo ricevente.

Il processo esatto cambia a seconda dei mezzi in gioco, poiché alcuni sono migliori in determinate circostanze rispetto ad altri, ma in sostanza, la maggior parte dei caricabatterie wireless funziona allo stesso modo dei dispositivi di comunicazione wireless ma con frequenze diverse per ospitare l’energia invece dei dati.

Probabilmente la forma più comune e più sicura di mezzi di ricarica wireless sono le onde magnetiche, ma è una delle tante. I caricabatterie wireless possono anche utilizzare campi elettrici (che sono tecnicamente diversi dalle correnti elettriche), onde radio, microonde e persino diversi spettri di luce. Tuttavia, non esiste un elemento di accoppiamento universale, quindi ogni mezzo richiede un tipo diverso. Questi includono bobine di filo, piastre metalliche, antenne, magneti e persino laser. Dato l’enorme numero di scelte medie, potresti chiederti come qualcuno scelga che tipo di caricabatterie wireless vuole. In primo luogo, tutto si riduce alla distanza.

Tipi di ricarica wireless

Quando si utilizzano cavi di ricarica elettrica, è necessario inserirli e rimuoverli costantemente dal dispositivo che si desidera caricare. Tuttavia, i caricabatterie wireless possono essere configurati, sincronizzati con il tuo dispositivo e semplicemente spostati fuori portata per interrompere la ricarica. Quindi, quanto è troppo lontano per un caricabatterie wireless? Tutto dipende dal mezzo.

I caricabatterie wireless sono raggruppati in due categorie: near-field e far-field. Questo nome deriva dalle regioni di un campo elettromagnetico vicino a un trasmettitore di carica wireless, che viene tipicamente indicato come un’antenna. Se l’antenna produce un mezzo che si indebolisce con la distanza, allora il caricatore è considerato un dispositivo near-field. Se la distanza ha poco o nessun effetto sulla potenza fornita, allora il dispositivo è considerato far-field.

Tuttavia, poiché ogni mezzo vibra a lunghezze d’onda diverse, ciò che costituisce “vicino” e “lontano” cambia da caricabatterie a caricabatterie. In generale, se il ricevitore può essere posizionato a più di una lunghezza d’onda di distanza dall’antenna, allora il caricatore è considerato far-field. Altrimenti, è near-field.

I dispositivi che utilizzano o convertono le correnti in campi magnetici o elettrici rientrano generalmente nella categoria near-field. Nel frattempo, i caricabatterie wireless che utilizzano microonde, onde radio, laser e persino plasma sono considerati dispositivi di campo lontano. Questi coprono la maggior parte dei gadget di ricarica wireless là fuori, ma alcuni dispositivi, come i caricabatterie risonanti, non rientrano nelle categorie di cui sopra. Questi dispositivi non sono efficienti a normali distanze near-field o far-field, per mancanza di un termine migliore li chiameremo caricabatterie wireless mid-field.

Accoppiamento induttivo

Quando la maggior parte delle persone parla di ricarica wireless, pensa ai cuscinetti che puoi usare per caricare il tuo smartphone e a quei piccoli supporti su cui puoi posizionare gli spazzolini da denti elettrici. Questo non è sorprendente poiché questi sono gli stili più comuni di caricabatterie wireless e tutti usano lo stesso metodo: l’accoppiamento induttivo.

L’accoppiamento induttivo converte le correnti elettriche alternate in campi magnetici e le invia utilizzando bobine di induzione del filo di rame. Il dispositivo ricevente utilizza quindi le proprie bobine di induzione per accettare i campi magnetici, che vengono poi convertiti in correnti elettriche tramite lo stesso processo al contrario. Essenzialmente, queste bobine funzionano come una coppia di trasformatori, e poiché la frequenza e le antenne di un campo di accoppiamento induttivo sono così piccole, la potenza diminuisce esponenzialmente quanto più il ricevitore è lontano dal trasmettitore. Questo problema può essere risolto utilizzando più energia o aumentando le dimensioni delle bobine del trasmettitore e del ricevitore, ma questo non è fattibile con dispositivi come i telefoni cellulari, motivo per cui devi metterli sopra il caricabatterie wireless.

L’accoppiamento induttivo, soprattutto per i telefoni, è attualmente disponibile in due standard, Qi e PMA. I caricabatterie Qi utilizzano campi da 100 a 205 kHz, mentre PMA utilizza campi da 277 a 357 kHz. Inoltre, poiché i dispositivi Qi e PMA utilizzano protocolli di connessione diversi, i dispositivi Qi non sono compatibili con i caricabatterie PMA e viceversa. Indipendentemente da ciò, la ricarica wireless Qi è ampiamente considerata lo standard per la maggior parte dei caricabatterie wireless ad accoppiamento induttivo.

Sono in corso lavori per utilizzare l’accoppiamento induttivo per i veicoli elettrici. Tuttavia, i progressi sono lenti a causa di costi proibitivi, potenziali danni alle strade e possibili minacce alle persone con pacemaker.

Accoppiamento induttivo risonante

Mentre i caricabatterie di accoppiamento induttivo sono molto più delicati rispetto alle porte USB di un dispositivo, devi comunque preoccuparti della portata di ricarica. Se il tuo cavo di alimentazione non arriva così lontano, un pad di accoppiamento induttivo non risolverà il problema.

L’accoppiamento induttivo risonante funziona in modo molto simile al normale accoppiamento induttivo. Hai una bobina di induzione che irradia onde elettromagnetiche e un’altra che le riceve. Entrambi funzionano come trasformatori, ma l’aggiunta di circuiti risonanti consente al caricabatterie e al dispositivo di risuonare alla stessa frequenza, aumentando così significativamente la portata del campo magnetico prima che la sua potenza diminuisca.

Da un lato, questo significa che l’accoppiamento induttivo risonante potrebbe potenzialmente caricare i dispositivi mobili ovunque entro diversi metri dal caricabatterie. D’altra parte, i dispositivi troppo vicini al trasmettitore di accoppiamento induttivo risonante saranno soggetti a scissione di frequenza. Questo fenomeno divide la frequenza del campo magnetico in due picchi e impedisce la ricarica wireless.

Gli scienziati hanno esplorato solo di recente il potenziale dell’accoppiamento induttivo risonante. Non solo gli utenti possono caricare tutti i dispositivi compatibili con i pad di ricarica ad accoppiamento induttivo, ma gli scienziati hanno capito come alimentare in modalità wireless i treni MAGLEV superconduttori e stanno cercando di applicare la tecnologia di accoppiamento induttivo risonante agli impianti biomedici. Potrebbero volerci alcuni anni o decenni, ma il futuro sembra wireless.

Accoppiamento capacitivo

Poiché l’accoppiamento induttivo utilizza campi magnetici, è relativamente sicuro per l’uso intorno ai corpi umani. Inoltre, poiché l’accoppiamento induttivo è la forma più comune di ricarica wireless, si potrebbe supporre che la maggior parte, se non tutti, i caricabatterie wireless siano human-friendly. Tuttavia, questo non potrebbe essere più lontano dalla verità.

L’accoppiamento capacitivo, noto anche come induzione elettrostatica, crea un campo elettrico tra due elettrodi o piastre conduttive. Questi caricabatterie wireless convertono ancora le correnti elettriche alternate in campi più o meno allo stesso modo dei caricabatterie di accoppiamento induttivo, ma poiché si basano su campi elettrici invece di quelli magnetici, gli accoppiatori capacitivi sono meno vulnerabili alle interferenze e non hanno bisogno di tanta schermatura. Questo riduce la massa e i costi di produzione di un caricabatterie wireless. Inoltre, i caricabatterie di accoppiamento capacitivo non hanno requisiti di allineamento così severi, quindi i dispositivi possono essere un po’ più storti sugli accoppiatori capacitivi e ricevere ancora energia.

In ogni campo della scienza, i vantaggi di solito vengono con pochi avvertimenti, e l’accoppiamento capacitivo non è diverso. A differenza dei campi magnetici dell’accoppiamento induttivo, i campi elettrici dell’accoppiamento capacitivo non cooperano con il corpo umano. Nella migliore delle ipotesi, la carne e il sangue possono impedire il flusso di energia. Nel peggiore dei casi, l’accoppiamento capacitivo può ferire chiunque si metta in mezzo. Inoltre, le prestazioni dell’accoppiamento capacitivo sono limitate alle basse tensioni, poiché le alte tensioni possono essere pericolose per gli elettrodi e produrre anche ozono.

Accoppiamento magnetodinamico

Mentre i caricabatterie ad accoppiamento induttivo utilizzano e producono campi magnetici per trasferire energia, non sono magneti. Alcuni caricabatterie wireless, tuttavia, utilizzano campi magnetici con magneti per produrre cariche elettriche senza trasferire alcuna potenza.

L’accoppiamento magnetodinamico è una forma unica di ricarica wireless che si basa su magneti rotanti. A differenza della maggior parte delle forme di ricarica wireless, l’accoppiamento magnetodinamica utilizza i principi di ingegneria meccanica più di quelli di ingegneria elettrica. In un caricatore magnetodinamico, un magnete primario – il trasmettitore – è collegato a una parte di un motore, che lo fa girare. Mentre quel magnete gira, il suo campo magnetico esercita una coppia su un magnete secondario – il ricevitore – facendolo ruotare a turno. Questo magnete, di solito collegato a un’armatura di qualche tipo, alimenta un generatore mentre si muove producendo la propria corrente elettrica. In definitiva, l’accoppiamento magnetodinamico agisce molto come un giocattolo a molla che devi finire, tranne che con i magneti e l’elettricità.

Mentre l’accoppiamento magnetodinamico è un po’ raro, serve come una nuova soluzione per caricare veicoli elettrici e persino alcuni pacemaker. Nel 2014, i ricercatori dell’Università della British Columbia di Vancouver hanno dimostrato che questo sistema di ricarica wireless ha una portata fino a 15 centimetri con un’efficienza di oltre il 90%. Poiché funziona su campi magnetici, l’accoppiamento magnetodinamico non è suscettibile di perturbazioni radio erranti. Non male per un sistema che converte l’energia elettrica in due forme diverse per poi farla ritornare nella forma iniziale, risultando due passaggi di conversione in più rispetto alla maggior parte dei dispositivi di ricarica wireless.

Trasferimento di potenza elettrodinamico wireless

Quindi, se i caricabatterie ad accoppiamento induttivo producono campi magnetici – ma non sono magneti – mentre i caricabatterie ad accoppiamento magnetodinamico utilizzano magneti, cosa succede quando si combina un dispositivo di produzione di campo magnetico con un magnete? La risposta è un’altra razza di caricabatterie wireless.

Il trasferimento di potenza wireless elettrodinmico è metà accoppiamento induttivo e metà accoppiamento magnetodinamico. Tutto inizia dal trasmettitore, che è una bobina che produce una frequenza magnetica. Il ricevitore utilizza anche lui una bobina, così come un magnete permanente attaccato a un rotore. Il campo magnetico interagisce con il magnete della bobina del ricevitore, esercitando coppia su di esso. Questo movimento meccanico produce tensione e alimentazione al dispositivo collegato. Quindi cosa distingue questo metodo di ricarica dagli altri? Per cominciare, la maggior parte dei caricabatterie wireless che producono campi magnetici crea onde ad alta frequenza, mentre i dispositivi di trasferimento di potenza wireless elettrodinamici utilizzano campi a bassa frequenza nell’intervallo 10s a 100s Hz.

I campi magnetici del trasferimento di potenza elettrodinamico senza fili passano attraverso mezzi elettricamente conduttivi e le loro frequenze sono molto più sicure per gli esseri umani, rendendoli ideali per la ricarica di impianti biomedici. La ricarica elettrodinamica può potenzialmente essere utilizzata in stanze piene di persone per caricare i loro impianti, così come i telefoni cellulari e altri dispositivi, senza causare effetti collaterali negativi.

Tuttavia, mentre la distanza non ha rappresentato molto ostacolo alla quantità di potenza che un dispositivo riceve, durante gli esperimenti nel 2013 e nel 2014, le dimensioni del ricevitore di trasferimento di potenza wireless elettrodinamici erano troppo grandi per i gusti dei ricercatori. Come tale, potrebbe volerci un po’ di tempo prima che questo sistema di ricarica diventi disponibile in commercio.

Trasmissione d’onda Zenneck

Zenneck Wave Transmission utilizza onde piane elettromagnetiche non uniformi che si formano parallele a due interfacce (cioè superfici toccanti) costituite da materiali simili con diverse capacità di accumulo di energia elettrica. Queste onde possono essere eccitate a queste interfacce utilizzando risonatori di impedenza a terra e due bobine elicoidali a mezza onda. Quando le correnti alternate ad alta frequenza vengono alimentate attraverso il risonatore, la bobina elicoidale principale trasporta la corrente e la bobina secondaria accumula tensione. Quando ciò accade, il risonatore di impedenza con base crea un’onda magnetica trasversale, permettendo così l’energia di trasferirsi attraverso la superficie dell’interfaccia.

Questo metodo relativamente nuovo di trasferimento wireless ha diversi vantaggi e svantaggi. Le onde Zenneck non sono influenzate dalla schermatura, che consente loro di trasferire energia in modo molto più efficiente, ma poiché queste onde non sono radiative, non possono trasferire energia oltre le loro interfacce. Secondo uno studio del 2020, l’uso delle onde Zenneck per trasferire energia attraverso la Terra come conduttore non è pratico, ma molti esempi di infrastrutture metalliche – come binari ferroviari, gasdotti e centrali nucleari – possono trarre vantaggio da questo metodo di ricarica wireless.

Immagina una fabbrica in cui un dispositivo di assemblaggio viene alimentato semplicemente posizionandolo su un pavimento metallico. Sembra qualcosa che troveresti solo in un videogioco, ma è possibile attraverso le onde Zenneck.

Microonde

Quando la maggior parte delle persone sente la parola microonde, pensa agli elettrodomestici a microonde. Questi dispositivi utilizzano microonde (radiazioni elettromagnetiche nell’intervallo da centimetri a millimetri) per produrre energia termica. Tuttavia, le microonde – l’energia, non l’apparecchio – possono fare di più che riscaldare il cibo.

I ricercatori stanno lavorando duramente per capire come incanalare le microonde per fornire energia. Nel 2013, il fisico Hatem Zeine ha presentato il sistema di trasmissione di potenza wireless Cota, prodotto da Ossia, che utilizzava le microonde per trasmettere energia a un ricevitore a 30 piedi di distanza. Il suo dispositivo trasmetteva energia utilizzando la stessa frequenza a microonde dei router Wi-Fi, il che lo rendeva sicuro per gli esseri umani.

Anche altri ricercatori hanno fatto un passo avanti e hanno cercato di sviluppare dispositivi che generano energia mentre la trasmettono. Una di queste soluzioni era quella di utilizzare un satellite di energia solare che assorbiva la luce solare, la convertiva in energia e poi trasformava l’energia in microonde che sarebbe stata trasmessa a un impianto di raccolta. Sembra promettente, ma a seconda della lunghezza d’onda, i requisiti dell’antenna del satellite proposto sarebbero stati astronomici. Il fascio di potenza in lunghezze d’onda più corte potrebbe ridurre le dimensioni dell’antenna, ma le microonde sarebbero più suscettibili all’assorbimento atmosferico. C’è sempre un problema.

Laser

La fantascienza è piena di dispositivi che armano la luce visibile per risultati devastanti. Colloquialmente indicati come laser, questi dispositivi possono uccidere i loro bersagli con una grossa dose di energia o tagliandoli. Si tratta di una situazione molto lontano dai laser nel mondo reale – la maggior parte dei laser, comunque.

Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto come trasportare l’energia in modalità wireless tramite raggi laser. Il processo consiste nel convertire una corrente elettrica in un laser ad alta potenza e spararla in qualsiasi direzione. A differenza di altri dispositivi di ricarica wireless, che consistono in processi e hardware specchiati, i caricabatterie laser richiedono parti specializzate note come diodi fotovoltaici per catturare i laser. Da lì, il processo di conversione dei laser in corrente elettrica è essenzialmente lo stesso dei normali pannelli solari: il semiconduttore rilascia elettroni quando esposto alla luce solare, producendo così una carica elettrica che viene convertita in corrente alternata da un inverter. Tuttavia, poiché i laser contengono molti più fotoni della normale luce solare, forniscono molta più elettricità.

A differenza di altre forme di ricarica wireless, i laser possono fornire energia su grandi distanze con perdite minime. Inoltre, solo i dispositivi progettati per raccogliere i laser riceverebbero qualsiasi potenza da loro, e il caricabatterie stesso può essere piuttosto piccolo per la quantità di energia che fornisce. Tuttavia, poiché il fascio di potenza laser si basa sulla linea della vista, tutto ciò che blocca la luce, come nuvole o persone, impedirà la ricarica. Almeno i progressi della tecnologia garantiranno che il laser si spenga se qualcuno cammina di fronte ad esso, prevenendo così la morte del malcapitato.

Accoppiamento del canale plasma atmosferico

La maggior parte delle persone sa che la materia si presenta in tre stati: solido, liquido e gassoso. Tuttavia, c’è un quarto stato, il plasma, che esiste solo in determinate condizioni. Questa materia altamente specializzata ha diverse proprietà sorprendenti, tra cui la capacità di trasportare tonnellate di elettricità in un batter d’occhio – o dovremmo dire in un lampo?

L’accoppiamento del canale al plasma atmosferico, noto anche come elettrolaser, è un’altra forma di ricarica wireless che utilizza un laser, ma invece di usare il laser come canale per fornire energia, usa un laser per creare il canale. Questo laser surriscalda i gas circostanti fino a ionizzare e creare un canale plasma. Questo plasma indotto dal laser esiste per un breve secondo, ma è abbastanza superconduttivo da formare un potente arco elettrico. Il risultato è qualcosa di simile a un fulmine, soprattutto perché il fulmine è in realtà plasma.

Gli elettrolaser hanno numerose funzioni, tra cui un taser a lungo raggio che può incapacitare o addirittura uccidere il suo bersaglio e un metodo per guidare i fulmini. Mentre quest’ultimo può tenere lontani i fulmini da bersagli potenzialmente sensibili, gli scienziati in Francia e Germania hanno collaborato per creare laTeramobile, un dispositivo a canale al plasma indotto dal laser che potrebbe agitare le nuvole con i laser e raccogliere i fulmini risultanti.

Mentre questa è una forma di accoppiamento del canale del plasma atmosferico, un’altra forma potrebbe essere quella di un dispositivo brevettato che presumibilmente creerebbe un canale al plasma e poi sparerebbe energia lungo di esso a un’asta di ricarica. L’uso di elettrolaser come caricabatterie wireless è ancora agli inizi, ma un giorno potremmo essere in grado di coltivare e fornire gigajoule di energia alla velocità del fulmine.