وتمثل تقاطع تكنولوجيا الهوائي المتعددة النواتج ونقل الطاقة اللاسلكية أحد أكثر الحدود دينامية في مجال توفير الطاقة، وقد قامت المنظمة خلال العقد الماضي بتحويل الاتصالات ذات الترددات اللاسلكية عن طريق زيادة إنتاج البيانات وربط الموثوقية من خلال التنوع المكاني، ويجري الآن تسخير نفس المبادئ لتحسين كفاءة نظم الطاقة الكهربائية اللاسلكية ونطاقها وقابليتها للتكيف.

Understanding MIMO Technology

وتستخدم نظم الرصد المتعدد الوسائط هوائيات متعددة في جهاز الإرسال والاستقبال لإرسال وتلقي إشارات موازية، وفي الاتصالات اللاسلكية، تستخدم هذه القدرة على البيانات المتعددة الأبعاد المكانية دون أن تتطلب طيف أو طاقة إضافية، وبالنسبة لنقل الطاقة اللاسلكية، فإن الفكرة الأساسية متشابهة: فبدلاً من استخدام خط وحيد للنقل والتحصيل، تستخدم البعثة صفائف من تكنولوجيا المعلومات ذات الطابع المتطور، مما يعوض عن وجود عقبات تحول دينامية في مجال الطاقة.

وفي قلب منطقة الطاقة الكهربائية، تكمن القدرة على تشكيل المجال الكهرومغناطيسي، وبتعديل المرحلة وضخامة كل من الهوائيات التي تنقل، يمكن للنظام توجيه الطاقة في اتجاهات محددة، وتقنية معروفة باسم " التخزين " ، وفي سياق الاتصالات، يؤدي استخدام المزمار إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الأرقام؛ وفي نقل الطاقة، يركز على الطاقة المشعّة في مسارات التلقين، ويقلل من النفايات إلى أقصى حد.

How MIMO Improves Power Transfer Efficiency

ولا تحقق الانقلابات التقليدية التي تبث في الهواء كفاءة عالية إلا عندما تكون الفحم متوائمة بشكل وثيق وتوضع في غضون بضع سنتيمترات أو مترات، تبعا لحجم الفحم، ويمكن أن تعمل النُهج القائمة على استخدام الموجات البعيدة، مثل استخدام الموجات الدقيقة في الموجات المتجهة، على مسافات أطول، ولكنها تعاني من ضعف الكفاءة ما لم يضرب جهاز الاستلام تقديري بقوة عالية.

ويمكن أن تحقق القياسات الرئيسية في نظام ميمو بوتيل القصديري كفاءة نقل الطاقة، وطاقة الإنتاج في جهاز الاستقبال. وقد أظهرت البحوث التي نشرت في (10) زيادة في عدد المسافات المحتملة في إطار نظام ميكرويف (Techniques) ([FputT:3]) أن هياكل البعثة يمكن أن تحسن من خلال مسافات تتراوح بين 2 و4 مرات

التطبيقات الحالية للبعثة في السلطة اللاسلكية

ورغم أن برنامج عمل البعثة لا يزال مجالاً مستجداً، فقد بدأت عدة تطبيقات عملية في الاستفادة من مزاياه:

المركبات الكهربائية

ويتوقف عادة توجيه رسوم لاسلكية للمركبات الكهربائية على علب كبيرة ومسطحة مع الفحم الذي يتطلب مواءمة دقيقة لوقوف السيارات، ويمكن لتكنولوجيا البعثة أن تخفف من هذه التواؤم، وقد أثبت الباحثون في ] جامعة ستانفورد ] وجود نظام قائم على البعثة يسمح بالتدفق بكفاءة حتى عندما تعوض المركبة على مراحل.

Consumer Electronics

أما الشركات مثل ]FLT:0[Osia وEnergous فتضع نظماً للشحن فوق الجو تستخدم فيها تركيبات الهوائي المملوكة لها، كما أن منتجاتها، مثل كوتا وواتوب، تستخدم هوائيات متعددة لتوليد الطاقة داخل غرفة ما.

المزيجات الطبية

وتحتاج أجهزة صانعي الصواريخ ومحفزات الأعصاب والأجهزة الأخرى التي يمكن زرعها إلى طاقة موثوقة بدون أسلاك مُحكمة، وتتيح البعثة وسيلة لزيادة عمق نقل الطاقة مع التقليل من تدفئة الأنسجة (X) باستخدام أجهزة متعدّدة من الهوائيات الخارجية ذات الأشعة المُتكيفة، يمكن أن يُقدّم النظام الطاقة إلى زرع أعمق مع إشعاع أقل هدرا.

شبكات آيوت وأجهزة الاستشعار الصناعية

وتتزايد نشر المصانع والمستودعات أجهزة استشعار لاسلكية لرصد المعدات ودرجات الحرارة والمخزون، إذ أن البطاريات المتجهة إلى كل جهاز استشعار مكلفة؛ وتوفر البعثة وسيلة لنقل الطاقة على مسافات تتراوح بين 10 و 30 مترا إلى عشرات أجهزة الاستشعار في وقت واحد، وباستخدام جهاز إرسال مركزي ذي صفيفة هوائيات، يمكن للنظام بث الطاقة في مركب واسع أو تحويلها إلى مقسمين مصممين.

التحديات التقنية والعملية

ورغم الوعد، تواجه البعثة عدة عقبات هامة يجب التغلب عليها قبل أن يصبح التبني على نطاق واسع ممكنا.

Interference and Regulatory Constraints

وتمارس نظم الطاقة اللاسلكية في نطاقات الترددات المشتركة، عادة في نطاقات الإدارة المتكاملة (مثلاً، 2.4 غيغاهيرتز، 5.8 غيغاهيرتز، 915 ميغاهيرتز) ويمكن أن يؤدي ارتفاع حجم الأشعة إلى تدخل في أساليب الاتصال اللاسلكية واللوتوث وغيرها من نظم الاتصالات.

السلامة والعرض

وينظم التعرض البشري للميادين الكهرومغناطيسية الإشعاعية لمنع الآثار الحرارية وغيرها من المخاطر الصحية، ويجب أن تكفل نظم إمداد المفاعلات الكهربائية أن يظل معدل الامتصاص المحدد أقل من العتبات، وعادة ما يكون 1.6 و/كغ للتعرض الجزئي للجسم، وأن يساعد التخزين الإيجابي عن طريق توجيه الطاقة بعيدا عن الناس والوقود، ولكن هذا يتطلب استشعارا دقيقا وإضافات سريعة.

التكلفة والتعقيد

فكل عنصر من عناصر المنطقة في صفيحة من طراز MIMO يتطلب نقلة في المرحلة الخاصة به، ومضخم الطاقة، ودائرة التحكم، وبالنسبة لصفيفة من 16 إلى 13، فإن هذا العدد من المواد يضاعف من حيث التكلفة مقارنة بنظام واحد من أنواع الغازات، كما أن متطلبات تجهيز الإشارات قد ترتفع أيضا: يجب أن يتم تقدير القنوات بسرعة لتعقب أجهزة الاستقبال المتحركة، التي تستهلك موارد حواسيبية، وبالنسبة للمنتجات شبه المستهلكة، فإن حجمها أقل.

المعايير والقابلية للتشغيل

وقد تكافح صناعة الطاقة اللاسلكية منذ وقت طويل مع المعايير المتنافسة - كي، وشركة PMA، وA4WP، وغيرها - غير متوافقة دائماً، وتستحدث شركة MIMO WPT بعداً آخر من التعقيد، ولتحقيق قابلية التشغيل المتبادل، فإن الهيئات الصناعية مثل اتحاد القوى اللاسلكية وتحالف القوى الجوية ستحتاج إلى وضع مواصفات تحدد بروتوكولات الاتصالات، وإجراءات تقدير الحركة، ونظم توليد الطاقة.

التطورات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

وفي انتظار ذلك، ستشكل عدة اتجاهات بحثية واتجاهات سوقية مسار حركة MIMO في نقل الطاقة اللاسلكية.

Massive MIMO and Millimeter-Wave Power Transfer

ويمكن أن تؤدي هذه الشبكة، التي وضعت أصلا لخمسة جي من محطات قاعدية، إلى استخدام صفائف من 64 أو 128 أو أكثر من الهوائيات لإنشاء شعاعات عالية التوجيه، ويمكن أن يتيح نفس المفهوم المطبق على محطة الطاقة الكهربائية العاملة في مجال الطاقة الكهربائية، توفير الطاقة على مئات الأمتار ذات الكفاءة مقارنة بالنظم القصيرة المدى الحالية، وفي شكل أجهزة قياسية ذات الموجات العنيفة (28 إلى 60 غيتس) أن تصبح عناصر من النوع الصغير من النفايات.

المعلومات اللاسلكية غير القابلة للتحويل ونقل الطاقة في الوقت نفسه

(ب) يمكن أن يخصص جهاز إرسال تابع للبعثة بعض الهوائيات لتوليد الطاقة ولغيره من الأشخاص الذين يمكن أن يتواصلوا أو يستخدموا نفس الإشارات لكل من البيانات والطاقة، وذلك باستغلال الدرجات المكانية للحرية، ويمكن أن يخصص جهاز نقل الطاقة الكهربائية (MIEL) بعض الأنيارات لتوليد الطاقة، أو يستخدم نفس الهوائيات لكل من المهام ذات التوقيت أو التدرج، وهو ما يجذب أجهزة الإيو تستلزم الربط والكهرباء.

النظم الدينامية ونظم الاعتماد الذاتي

وستتضمن نظم القدرة على إحداث الاحترار في المستقبل التعلم الآلي والتنبؤات في القنوات في الوقت الحقيقي للتكيف مع البيئات المتغيرة، وبدلا من الاعتماد على إشارات تجريبية دورية لتقدير القنوات، يمكن للمرسل أن يتوقّع القناة باستخدام البيانات التاريخية وتتبع الحركة، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام يُمكِّن آلياً متنقلاً في مستودع أن يتعلم مسارات التشغيل النموذجية ويُحدّد المُثلَج ويحدّ من الرطَّة ويزداد من خلال التعلم الأمثل في مجال الإنفاذ.

التكامل مع تسخير الطاقة وتخزينها

ولن تحل شركة MIMO WPT محل البطاريات بالكامل، ولكنها يمكن أن تقلل حجم البطاريات وتمتد فترة عمر الأجهزة، كما أن تكنولوجيات تخزين الطاقة الجديدة - البطاريات الصلبة - الدول المجهزة بالبطارية - المزودة بأجهزة مضخة كهربائية - تعمل بالتضافر مع أجهزة استقبال تابعة للمنظمة البحرية الدولية، ويمكن تصميم جهاز استقبال كمجموعة صغيرة من مصانع الدمج (الزيادة في نقاط الوصل)

خاتمة

إن مستقبل هذه المنظمة في نظم نقل الطاقة اللاسلكية يحدده تقارب الهندسة الكهرومغناطيسية، وتجهيز الإشارات، وتكامل النظم، إذ إن هذه النظم، باستغلالها لتعدد الهوائيات، تؤدي إلى تحسين كفاءة ونطاق وقوة استخدام الطاقة اللاسلكية، وتعالج القيود التي كانت تحصر في تاريخها في سيناريوهات قصيرة المدى وموجهة نحو إحداث تحولات ثابتة، والتطبيقات الحالية في المركبات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية والآفات الطبية، والبدء في الصناعة.