Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ (U.S. Naval Research Laboratory - NRL) đã thành công trong việc truyền tải năng lượng không dây. Bằng cách sử dụng vi sóng (microwave), NRL đã truyền đi 1.6 kW điện qua khoảng cách 1 km tại khu Nghiên cứu Thực địa Quân đội Mỹ (U.S. Army Research Field) ở Maryland.
Ý tưởng truyền tải điện năng trên khoảng cách xa mà không cần dây dẫn đã có từ lâu. Đến những năm 1970, công nghệ này đã có đủ độ chín để trở thành yếu tố quan trọng trong ý tưởng của nhà vật lý người Mỹ - Gerard K. O’Neil - đề xuất xây dựng các trạm thu năng lượng mặt trời từ ngoài không gian rồi truyền ngược lại trái đất. Nguyên tắc của việc truyền điện không dây khá đơn giản. Đầu tiên điện năng được chuyển đổi thành vi sóng, sau đó được hội tụ thành chùm tia và “bắn” đến đầu thu - thứ được chế tạo từ những thành phần gọi là rectenna (ăng ten chỉnh lưu). Đây là những thành phần đơn giản, gồm ăng ten lưỡng cực băng tần x (x-band dipole antenna) với diode RF. Khi vi sóng tác động đến rectenna, các phần tử sẽ tạo ra dòng DC.
Ăng ten chỉnh lưu (rectifying antenna) được lắp đặt vào ăng ten thu, nơi nhận chùm tia vi sóng 10 GHz phát ra từ đĩa phát vi sóng (microwave dish transmitter) ở ảnh đầu bài, rồi chuyển hóa thành dòng điện 1 chiều DC. Ảnh: NRL
Rectenna là từ ghép của Rectifier (chỉnh lưu) và Antenna, xuất hiện trong nửa cuối thế kỷ 20. Rectenna mô tả công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà thiết bị thu dùng các ăng ten thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ, sau đó chuyển đổi thành năng lượng dòng điện 1 chiều DC. Rectenna gồm các thành phần chính: nguồn tạo chùm tia năng lượng, ăng ten thu, bộ lọc phối hợp trở kháng và mạch chỉnh lưu. Hiệu suất của rectenna phụ thuộc vào hiệu suất của các thành phần cấu tạo.
Bất chấp những nghi ngờ ban đầu, hóa ra việc “bắn beam” bằng vi sóng lại tỏ ra có hiệu quả đáng ngạc nhiên. Đội ngũ NRL được Bộ Quốc Phòng Mỹ giao trọng trách phát triển dự án SCOPE-M (Safe and COntinuous Power bEaming - Microwave) để khám phá về tính thực tiễn của công nghệ này.
NRL sử dụng chùm tia vi sóng 10 GHz và thiết lập thử nghiệm SCOPE-M ở 2 địa điểm: U.S. Army Research Field ở Blossom Point, Maryland và HUSIR (Haystack Ultra Wideband Satellite Imaging Radar) ở MIT tại Massachusetts. NRL chọn tần số 10 GHz vì 2 lý do chính: có thể truyền đi trong điều kiện mưa lớn nhưng mức tổn thất năng lượng dưới 5%, và an toàn khi sử dụng theo tiêu chuẩn quốc tế đối với động vật, chim chóc hay con người. Điều này giúp cho việc truyền điện không dây đơn giản và an toàn hơn so với các hệ thống dựa trên laser trước đây. Thử nghiệm SCOPE-M ở Maryland cho thấy mức hiệu suất đạt được là 60%, trong khi đó thử nghiệm ở Massachusetts không đạt được mức công suất cao nhất như Maryland, nhưng lại có công suất trung bình cao hơn, vì vậy truyền tải được nhiều năng lượng hơn.
Trong tương lai, công nghệ SCOPE-M có thể được sử dụng để truyền tải điện năng trên mặt đất, hoặc từ ngoài không gian ngược lại trái đất. Không giống như các nguồn năng lượng sạch khác thường tạo ra điện nhưng không liên tục, việc thu năng lượng mặt trời từ ngoài vũ trụ có thể cung cấp điện năng xuyên suốt 24/7/365. Tuy nhiên đối với Bộ Quốc Phòng Mỹ, ứng dụng trước mắt của SCOPE-M là để truyền điện cho các binh lính trên thực địa, loại bỏ việc vận chuyển nhiên liệu vốn rất dễ bị tấn công.
Ý tưởng truyền tải điện năng trên khoảng cách xa mà không cần dây dẫn đã có từ lâu. Đến những năm 1970, công nghệ này đã có đủ độ chín để trở thành yếu tố quan trọng trong ý tưởng của nhà vật lý người Mỹ - Gerard K. O’Neil - đề xuất xây dựng các trạm thu năng lượng mặt trời từ ngoài không gian rồi truyền ngược lại trái đất. Nguyên tắc của việc truyền điện không dây khá đơn giản. Đầu tiên điện năng được chuyển đổi thành vi sóng, sau đó được hội tụ thành chùm tia và “bắn” đến đầu thu - thứ được chế tạo từ những thành phần gọi là rectenna (ăng ten chỉnh lưu). Đây là những thành phần đơn giản, gồm ăng ten lưỡng cực băng tần x (x-band dipole antenna) với diode RF. Khi vi sóng tác động đến rectenna, các phần tử sẽ tạo ra dòng DC.
Ăng ten chỉnh lưu (rectifying antenna) được lắp đặt vào ăng ten thu, nơi nhận chùm tia vi sóng 10 GHz phát ra từ đĩa phát vi sóng (microwave dish transmitter) ở ảnh đầu bài, rồi chuyển hóa thành dòng điện 1 chiều DC. Ảnh: NRL
Rectenna là từ ghép của Rectifier (chỉnh lưu) và Antenna, xuất hiện trong nửa cuối thế kỷ 20. Rectenna mô tả công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà thiết bị thu dùng các ăng ten thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ, sau đó chuyển đổi thành năng lượng dòng điện 1 chiều DC. Rectenna gồm các thành phần chính: nguồn tạo chùm tia năng lượng, ăng ten thu, bộ lọc phối hợp trở kháng và mạch chỉnh lưu. Hiệu suất của rectenna phụ thuộc vào hiệu suất của các thành phần cấu tạo.
Bất chấp những nghi ngờ ban đầu, hóa ra việc “bắn beam” bằng vi sóng lại tỏ ra có hiệu quả đáng ngạc nhiên. Đội ngũ NRL được Bộ Quốc Phòng Mỹ giao trọng trách phát triển dự án SCOPE-M (Safe and COntinuous Power bEaming - Microwave) để khám phá về tính thực tiễn của công nghệ này.
NRL sử dụng chùm tia vi sóng 10 GHz và thiết lập thử nghiệm SCOPE-M ở 2 địa điểm: U.S. Army Research Field ở Blossom Point, Maryland và HUSIR (Haystack Ultra Wideband Satellite Imaging Radar) ở MIT tại Massachusetts. NRL chọn tần số 10 GHz vì 2 lý do chính: có thể truyền đi trong điều kiện mưa lớn nhưng mức tổn thất năng lượng dưới 5%, và an toàn khi sử dụng theo tiêu chuẩn quốc tế đối với động vật, chim chóc hay con người. Điều này giúp cho việc truyền điện không dây đơn giản và an toàn hơn so với các hệ thống dựa trên laser trước đây. Thử nghiệm SCOPE-M ở Maryland cho thấy mức hiệu suất đạt được là 60%, trong khi đó thử nghiệm ở Massachusetts không đạt được mức công suất cao nhất như Maryland, nhưng lại có công suất trung bình cao hơn, vì vậy truyền tải được nhiều năng lượng hơn.
Trong tương lai, công nghệ SCOPE-M có thể được sử dụng để truyền tải điện năng trên mặt đất, hoặc từ ngoài không gian ngược lại trái đất. Không giống như các nguồn năng lượng sạch khác thường tạo ra điện nhưng không liên tục, việc thu năng lượng mặt trời từ ngoài vũ trụ có thể cung cấp điện năng xuyên suốt 24/7/365. Tuy nhiên đối với Bộ Quốc Phòng Mỹ, ứng dụng trước mắt của SCOPE-M là để truyền điện cho các binh lính trên thực địa, loại bỏ việc vận chuyển nhiên liệu vốn rất dễ bị tấn công.
