Bir Rüya Gerçek Oldu: Enerji, Elektrik Kablosu Kullanmadan Cihaza İletildi

Franklin Hadley

Ordu Nanoteknoloji Araşt. Enstitüsü

ABD, New York:

Amerikalı bilim adamları, elektrik kablosu kullanmadan bir cihaza enerji iletmenin yöntemini buldu. Massachusetts Institute of Technology’ye bağlı bilim adamları, enerji kaynağından 2 metre uzaklıktaki 60 vatlık bir ampulü kablo olmaksızın aydınlatmayı başardı. Araştırmacılar, enerjiyi, biri ampulde, diğeri enerji kaynağında bulunan iki bakır bobin arasında elektromanyetik dalgalarla iletti.

Kablosuz güç transferinin mümkün olduğu bir gelecek hayal edin: Bizi sonsuza kadar her yerde olan elektrik kablolarından kurtaran ve prize takılmaksızın kendilerini şarj edebilen cep telefonları, mp3 çalarlar, dizüstü bilgisayarlar ve diğer taşınabilir elektronik aletler. Bu aletlerin bazılarının çalışmak için hantal bataryalara bile ihtiyacı olmayabilir.

MIT’nin Fizik Bölümünden, Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümünden ve Soldier Nanaotechnology Enstitüsü’nden bir ekip, deneyleriyle bu gelecek vizyonunu gerçekleştirme yolunda önemli bir adım attı. Profesör Marin Soljacic başkanlığındaki ekibin üyeleri Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, Profesör Peter Fisher ve Profesör John Joannopoulos’tan (ISN direktörü) oluşmaktadır. Yakın tarihli teorik varsayımlarını gerçekleştirerek, (kablo kullanmadan) enerji kaynağından 2 metreden daha fazla uzakta bulunan 60 vatlık bir ampulü aydınlatmayı başardılar; kaynak ile cihaz arasında hiçbir fiziksel bağlantı bulunmamaktaydı. MIT ekibi bu sisteme kablosuz elektrik sözcüklerinden türetilen “WiTricity” adını vermiştir. Çalışma, 7 Haziran tarihinde Science Express’ te -Science dergisinin online yayını- açıklanacaktır. Hikaye, birkaç yıl önce bir gece yarısında başlamaktadır. Pijamaları içindeki Soljacic, mutfağın tezgahında duran cep telefonuna bakmaktadır. “O ay belki altıncı kez, onu şarj etmeyi unuttuğumu fark etmem için bipleyen cep telefonum tarafından uyandırılmıştım. Cihazın şarj olmak için kendi başının çaresine bakması harika olur diye düşündüm.”

Bunu mümkün kılmak için gücün kablosuz iletilmesi gerekmekteydi, böylece Soljacic bu isteği gerçek kılmaya yardım edecek fiziksel olgu hakkında düşünmeye başladı.

Işıma yöntemleri

Gücün kablosuz iletilmesi için çeşitli yöntemler yüzyıllardır bilinmektedir. Belki en iyi bilinen örnek radyo dalgaları gibi elektromanyetik ışımadır. Enformasyonun kablosuz iletilmesi için böyle bir ışıma harika olduğu halde güç iletimi için kullanılması mümkün değildir. Işıma her yöne yayıldığı için, gücün büyük bir bölümü boş uzayda boşa harcanacak, güç kaybı çok fazla olacaktır. Biri, lazerler gibi yönlendirilmiş elektromanyetik ışınım kullanılmasını düşünebilir. Ama bu çok pratik değildir hatta tehlikeli bile olabilir. Kaynak ile cihaz arasında kesintisiz bir görüş hattı ve cihaz hareketli olduğunda karmaşık bir takip mekanizması gerektirmektedir.

Anahtar: Manyetik Çift Titreşim

Aksine WiTricity, çift titreşim nesnelerinin kullanılmasına dayanmaktadır. Aynı titreşim frekansındaki iki titreşim nesnesi, titreşim dalgasının dışındaki nesnelerle zayıf bir şekilde etkileşirken enerjilerini verimli olarak birbirlerine aktarabiliyor. Salıncaktaki çocuk bunun için iyi bir örnektir. Salıncak bir mekanik titreşim türüdür, sadece çocuk salıncağın doğal frekansında bacaklarını aşağı yukarı kaldırdığı zaman gerçek enerji vermektedir. Diğer bir örnek akustik titreşimleri içermektedir: 100 adet aynı şarap bardaklarının olduğu bir oda hayal edin, her birine farklı seviyede şarap doldurulsun. Böylece onların her biri farklı titreşim frekanslarına sahip olmaktadır.

Eğer bir opera sanatçısı odanın içinde yeterince yüksek sesle tek bir nota söylerse, aynı dalgadaki bir bardak belki patlayacak kadar yeterli enerji biriktirebilir. Bu arada diğer bardaklar etkilenmeyecektir. Herhangi bir çift titreşimler sisteminde, sık sık “güçlü çift” operasyon rejimi oluşmaktadır. Verili bir sistemde o rejim içinde biri çalışmayı başarırsa enerji transferi çok verimli olabilir. Her çeşit titreşime uygulanan (örneğin akustik, mekanik, elektromanyetik vs.) bu faktörler evrensel olmakla beraber, MIT ekibi belirli tek bir çeşide odaklanmıştır: Manyetik çift titreşim. Ekip, daha çok manyetik alanları aracılığıyla birleştirilmiş iki elektromanyetik titreşimli sistem keşfetmiştir; aralarındaki uzaklık, titreşim nesnelerinin boyutundan birkaç kez daha büyük olduğunda bile bu sistemdeki güçlü çift rejimi saptayabildiler. Bu yolla yeterli güç transferi gerçekleştirilebilmiştir.

Manyetik bağlama, olağan materyallerin büyük çoğunluğu manyetik alanlarla oldukça zayıf şekilde etkileşime girdiği için günlük uygulamalar için özellikle uygundur. Böylece dış çevredeki nesnelerle etkileşim daha fazla engellenmektedir. Fizikte yüksek lisans öğrencisi olan Kurs “manyetik alanların biyolojik organizmalarla çok zayıf şekilde etkileşmesinin güvenlik faktörleri için de önemli olduğunu” belirtmiştir. İncelenen tasarım, her biri kendi başına titreşim sistemi olan iki bakır bobinden oluşmaktadır. Güç kaynağına bağlanan bobinlerden biri gönderme birimidir. Çevreyi elektromanyetik dalgalarla aydınlatmak yerine, çevresindeki alanı MHz frekansında dalgalanan ışımasız manyetik alanla doldurmaktadır. Sürecin titreşimli doğası, gönderme birimi ve alıcı birim arasında güçlü bir etkileşim sağlamaktadır. Bu arada çevrenin geri kalanıyla etkileşim zayıf kalmaktadır.

MIT’te fizik bölümü öğrencisi olan Moffat’ın açıklamasına göre “ışımasız alanı kullanmanın en önemli avantajı, alıcı birim tarafından toplanmayan enerjinin büyük bölümünün gönderici birimin çevresine bağlı olarak kalması, çevreye yayılmaması ve kaybolmaması gerçeğinde yatmaktadır”. Böyle bir tasarımla güç transferi sınırlı bir menzile sahip olmaktadır. Daha küçük boyuttaki alıcılar için menzil daha da kısalacaktır. Yine de dizüstü bilgisayar boyutundaki bobinler için, bir dizüstü bilgisayarı çalıştırmak için yeterli olandan daha fazla güç seviyesi oda büyüklüğündeki uzaklıklar üzerinde neredeyse her yönde ve verimli olarak iletilebilmektedir. Bu iletişim, çevredeki alanın geometrisinden bağımsız olarak ve çevresel nesneler iki bobin arasındaki görüş hattını tamamen kapatsa bile gerçekleştirilebilmektedir. Fisher “dizüstü bilgisayar böyle bir kablosuz güç kaynağının bulunduğu bir odada durduğu sürece, prize takılmasına gerek olmaksızın otomatik olarak şarj olacaktır. Gerçekten böyle bir odanın içinde çalışması için bataryaya bile ihtiyaç duyulmayacaktır” şeklinde bir açıklamada bulunmuştur. Uzun dönemde bu, insanların oldukça ağır ve pahalı olan bataryalara olan bağımlılığını azaltabilir. İlk bakışta böyle bir güç transferi, göreceli olarak sıradan bir manyetik indüksiyonu hatırlatmaktadır. Tıpkı çok kısa mesafede birbirlerine güç ileten bobinlerin bulunduğu güç transformatörlerinde kullanılan gibi. Gönderici bir bobinde dolaşan bir elektrik akımı alıcı bobindeki bir başka akıma neden olmaktadır. Her iki bobin oldukça yakındır, ama birbirine değmemektedir. Ama bu süreç, bobinler arasındaki mesafe arttığında önemli ölçüde değişmektedir. Elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimlerinde öğrenci olan Karalis’in belirttiği gibi “Burada titreşim bağlantısının büyüsü ortaya çıkmaktadır. Alışılmış rezonanssız manyetik indüksiyon bu özellikli sistemde bir milyon kez daha az verimli olacaktır.”

Eski fizik, Yeni talep

WiTricity, iyi bilinen fizik kanunlarına dayanmaktadır. Öyle ki birisi daha önce neden hiç kimsenin bunu düşünmediğini merak edebilir. Joannopoulos şunları söylemektedir: “Geçmişte böyle bir sistem için büyük bir talep bulunmamaktaydı, böylece insanların bunu incelemek için güçlü bir motivasyonu olmamıştır. Son birkaç yılda dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, iPod’lar ve hatta ev robotları gibi taşınabilir elektronik cihazlar yaygınlaştı. Bunların hepsi, sık sık şarj edilmesi gereken bataryalara ihtiyaç duymaktadır.”

Geleceğin neler sunacağı hakkında Soljacic şunları ilave etmiştir: “Bir zamanlar oğlum yaklaşık üç yaşındayken büyükannelerinin evini ziyaret etmiştik. 20 yıllık eski bir telefonları vardı ve oğlum ahizeyi kaldırıp şunu sordu: ‘Baba bu telefon neden bir kabloyla duvara bağlı?’

Bu kablosuz bir dünyada büyüyen bir çocuğun düşünce biçimidir. Verilebilecek en iyi cevap şuydu: ‘Ne kadar tuhaf ve kullanışsız, değil mi? Umarım kablolar ve bataryaların bir kısmından kurtulacağız.’”

Bu çalışmanın finansmanı, Ordu Nanoteknoloji Araştırma Enstitüsü -Soldier Nanotechnology Enstitüsü-, Ulusal Bilim Vakfı Materyal Bilimleri ve Mühendislik Merkezi ve Enerji Bakanlığı tarafından sağlanmıştır. (Ordu Nanoteknoloji Araştırma Enstitüsü- Haziran 2007, Haberin kendi başlığı “Güle Güle Kablolar”dır- dg)