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Transmitindo Energia Através de Ondas (Sem Fio) (ART1199)

A idéia de se eliminar as linhas físicas também na transmissão de energia, como já estamos fazendo com a transmissão de dados é um sonho da tecnologia. No entanto, existem diversos obstáculos a serem vencidos e um deles é que a potência com que se deseja trabalhar envolve muitos itens de segurança. Veja neste artigo o que está sendo feito e o que ainda pode ser feito em pequena escala.

Um dos pioneiros a pensar na possibilidade de se transmitir energia sem a necessidade de fios foi Nicola Tesla. Há mais de um século Tesla acreditava que a eletricidade, através das imensas faíscas que produzia em seu laboratório podia ser levada a grandes distâncias sem a necessidade de fios.

 

Figura 1- Patente de Tesla descrevendo um modo de se transmitir energia sem fio.
Figura 1- Patente de Tesla descrevendo um modo de se transmitir energia sem fio.

 

Em 1899 Tesla testou um sistema que visava transmitir energia através de toda a terra. Ele acreditava que esses pulsos podiam transmitir energia sem perdas.

No entanto, mesmo depois disso e de muitas pesquisas envolvendo aplicações militares, poucos avanços ocorreram nessa tecnologia. Na verdade, a transmissão de energia deve ter duas abordagens diferentes ao ser analisada, conforme boa documentação que encontramos na Internet.

Uma das abordagens consiste em se transmitir energia faixa estreitas de frequências. Isso normalmente ocorre nos sistemas de radiocomunicações, pois com a concentração de energia podemos reduzir o ruído, rejeitar mais facilmente sinais interferentes e também usar antenas direcionais.

Podemos mais facilmente concentrar a energia numa direção e recebê-la com menores perdas.

Uma outra maneira seria utiliza o que se denomina UWB (Ultra Wide Band) ou banda ultra larga. Nesta tecnologia explora-se uma banda mais de ampla de frequências melhorando-se assim o desempenho do sistema. Essa abordagem pode também ser feita no caso da transmissão de energia.

Assim, espalha-se a energia por diversas frequências que então devem ser captadas e sua energia colhida para uso.

Algumas empresas já disponibilizam pequenos sistemas que transmitem energia a curta distância para a carga de celulares, eliminando-se assim a necessidade de conexões físicas entre o carregador e o celular. Neste caso, a energia se transfere por RF, como no modelo da figura 2.

 

Figura 2 - Dois carregadores de celular sem fio
Figura 2 - Dois carregadores de celular sem fio

 

Mas não é apenas através de sinais de rádio que energia pode ser transferida de um lugar para outro sem a necessidade de fios. São as seguintes as formas possíveis de se transmitir energia sem fio com suas vantagens, perigos e limitações.

 

Indução magnética

Este processo, também denominado indução eletrodinâmica, faz uso de bobinas e um campo magnético de baixa frequência. Trata-se exatamente do mesmo princípio de funcionamento dos transformadores e já usado nos chips RFID (Identificação por rádio frequência).

Numa bobina (primário) aplicamos a energia que deve ser transmitida e nas suas proximidades colocamos uma bobina receptora ou secundário, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 - Transmissão por indução
Figura 3 - Transmissão por indução

 

O rendimento desse sistema vai depender da quantidade de linhas do campo criado pelo primário que pode atravessar as espiras do secundário. Pode-se perceber que o espalhamento natural das linhas de indução faz com que o rendimento do sistema caia rapidamente à medida que as duas bobinas se separam.

Também influem nas perdas a resistência dos elementos do circuito que dissipam parte da energia na forma de calor.

Pode-se melhorar o desempenho do sistema com o uso de formas de onda não senoidais e ainda com o uso de sistemas ressonantes na recepção.

Este processo funciona, portanto, apenas em curtas distâncias e mesmo assim com rendimento baixo. É o que ocorre com os chips RFIDs cujos raios de ação estão limitados a poucos metros, se tanto.

Altas potências podem significar a criação de campos perigosos para os humanos. Esses mesmos campos podem gerar correntes de turbilhão em objetos de metal próximos.

Na prática este sistema está sendo usado em carregadores de celulares sem fio, onde a distância entre a bobina transmissora (no carregador) e a bobina receptora (no celular) é de apenas alguns milímetros.

Outra aplicação é em eletrônica médica onde um transmissor no bolso do paciente transmite energia para um dispositivo implantado sob a pele.

As vantagens:

* Excelente para utilização em distâncias muito curtas com baixa potência

* Facilidade de implementação

Desvantagens:

* Alcance

* Perigoso quando se tenta transmitir alta potência

* Dificuldade para se concentrar a energia transmitida

 

 

Indução Eletrostática

Outra maneira de indicar este tipo de transmissão de energia é como "acoplamento capacitivo". De fato, aplicamos energia numa das armaduras de um capacitor e a recolhemos na outra. Desta forma, o meio que as separa (dielétrico) pode ser um objeto de material isolante ou o próprio ar.

Nicola Tesla demonstrou esta forma de transmissão de energia pendurando duas placas metálicas. Numa delas aplicou um campo alternado de alta frequência que induziu na outra energia suficiente para acender duas lâmpadas de gás. A figura 4 mostra o experimento.

 

Figura 4 - A transmissão capacitiva experimental de energia de Tesla
Figura 4 - A transmissão capacitiva experimental de energia de Tesla

 

Nesta modalidade de transmissão podemos dizer que a energia é transferida por um campo elétrico através do dielétrico. Os problemas inerentes a esta tecnologia são semelhantes a que ocorre na transmissão indutiva.

As linhas de força do campo elétrico se dispersam com facilidade de modo que para se obter um campo uniforme, onde todas as linhas de força que saem de uma das placas chegam à outra seria difícil para distâncias maiores do que alguns centímetros, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5 - Campo uniforme
Figura 5 - Campo uniforme

 

Na prática este sistema só funciona com pequenas quantidades de energia transmitida a curtas distâncias.

Vantagens:

* Simples de implementar

* Não causa interferências elétricas

 

Desvantagens:

* Apenas eficiente em curtas distâncias

* Limitado a pequenas potências

 

 

Radiação Eletromagnética

Neste caso incluímos as ondas de rádio, a radiação infravermelha, a luz e mesmo outras formas de menor comprimento de onda.

Para o caso das ondas eletromagnéticas da faixa de rádio, temos os casos que já discutimos no início de se usar banda larga ou banda estreita com vantagens e desvantagens. No entanto, não são essas apenas as faixas de frequências de rádio que podemos usar.

A radiação infravermelha, por exemplo, pode ser empregada a curtas distâncias assim como as microondas, pois podem ser direcionadas de forma relativamente simples, possibilitando a transmissão em quantidades razoáveis.

O sistema seria então formado por uma antena transmissora que enviaria a energia a uma antena (ou mais) receptora a uma certa distância. A capacidade de concentração da energia da transmissora e a eficiência da antena receptora determinariam a eficiência do sistema, conforme sugere a figura 6.

 

Figura 6 - Nem toda energia pode ser captada por uma antena, conforme sugere a figura
Figura 6 - Nem toda energia pode ser captada por uma antena, conforme sugere a figura

 

Este sistema operaria em curtos raios de ação e tem alguns inconvenientes que envolvem segurança. Conforme sabemos a potência elevada de algumas emissoras de rádio e TV em seus transmissores são suficientemente altas para colocar em risco a saúde das pessoas.

Num sistema deste tipo que trabalhasse com grandes potências concentradas haveria o perigo de alguém passar inadvertidamente pelo feixe, submetendo-se a um elevado nível de radiação.

Uma possibilidade interessante de utilização deste meio seria usar emissoras de microondas altamente direcionais para enviar energia para satélites, e também ao contrário. Gerar energia no espaço através de gigantescos painéis solares e enviar para a terra através de microondas, conforme mostra a figura 7.

Segundo a NASA, o problema da difração dos sinais faz com que seja necessária uma antena transmissora de 1 km de diâmetro e uma estação receptora de 10 km de diâmetro para se obter a eficiência desejada para operação de um satélite.

 

Figura 7 - Nessa imagem da NASA temos uma alegoria que mostra um satélite dotado de painéis soldares e antenas de microondas que enviariam para a terra a energia gerada.
Figura 7 - Nessa imagem da NASA temos uma alegoria que mostra um satélite dotado de painéis soldares e antenas de microondas que enviariam para a terra a energia gerada.

 

A limitação técnica principal deste sistema está na difração que dispersa a energia à medida que nos afastamos da fonte emissora e isso é válido para o LASER, se bem que numa escala menor.

Tecnologias modernas poderiam concentrar um LASER emitido da Lua num raio de poças centenas de metros, onde seria montado o detector (células).

Dessa forma, o LASER seria uma forma de se usar a energia eletromagnética de uma forma eficiente para a transmissão de energia. Por exemplo, painéis solares na superfície da Lua gerariam energia que seria enviada à terra por um feixe cuidadosamente focalizado sobre painéis receptores aqui na terra. Arthuir Clarke em seu livro As Fontes do Paraíso fala de um elevador que receberia energia através de um feixe de LASER, conforma mostra a figura 8.

 

Figura 8 - Livro de Clarke que prevê o uso do LASER na transmissão de energia.
Figura 8 - Livro de Clarke que prevê o uso do LASER na transmissão de energia.

 

Com novas tecnologias sendo criadas dia a dia a capacidade de concentração e recepção de microondas hoje já se aproxima da obtida com o LASER. Assim, para aplicações nessa faixa do espectro foi desenvolvida a rectenna ou antena retificadora. Essa antena pode alcançar 95% de eficiência na faixa de microondas.

Conforme mostra a figura 9, a rectenna consiste numa antena que incorpora um diodo Schottky que, ao mesmo tempo em que detecta os sinais, os retifica fornecendo uma tensão contínua em sua saída.

Na prática podemos montar uma com qualquer diodo Schottky comum e acender um LED com a energia de um microondas com problemas de escape... No entanto, a tecnologia está integrando num chip a antena e o diodo de modo a poder alimentar, por exemplo, um sistema de carga de celulares.

 

Figura 9 - A rectenna
Figura 9 - A rectenna

 

A empresa japonesa Nihon Dengyo Kosaku Co, lançou recentemente o seu "Microwave Regenerative Converter" cuja finalidade é converter a energia perdida de seu forne de microondas em eletricidade. O dispositivo não tem lá um grande rendimento, mas é interessante conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10 - Este dispositivo converte energia de microondas em eletricidade usando uma rectenna
Figura 10 - Este dispositivo converte energia de microondas em eletricidade usando uma rectenna

 

 

Outras soluções

À medida que a ciência avança novas descobertas podem dar origem a avanços correspondentes na tecnologia.

Assim já se fala no uso de partículas de alta penetração como os neutrinos e outras para a transmissão de sinais. Sistemas de comunicação poderiam enviar sinais através da terra como se ela não existisse, pois essas partículas possuem uma interação muito fraca com a matéria.

Pouco sabemos elas ainda, pois sua detecção é extremamente difícil, e da mesma forma não sabemos ainda como podemos usá-la para transmitir energia.

No entanto, com os avanços de teorias novas da física como as que envolvem a existência das supercordas talvez em breve tecnologias derivadas de ciências como a plasmônica possam estar entrando nesse jogo de se enviar energia sem fio para uma humanidade cada mais sedenta de fontes limpas para alimentar seus equipamentos.

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