תוכן עניינים
האם ייתכן שבעתיד חשמל יועבר מהשמיים אל הקרקע – ללא כבלים, ללא עמודי מתח גבוה וללא רשתות חלוקה מסועפות? במשך יותר ממאה שנה התרגלנו לחשוב על אנרגיה כמשהו שזורם דרך תשתית פיזית: תחנות כוח, שנאים, כבלים תת-קרקעיים וקווי מתח שנמתחים לאורך אלפי קילומטרים. אולם ניסוי פורץ דרך שבוצע לאחרונה בארצות הברית מציע אפשרות אחרת: העברת אנרגיה אלחוטית ממטוס שנמצא בתנועה אל מערכת קליטה על הקרקע.
לראשונה הודגמה באופן מעשי היכולת לשדר אנרגיה מפלטפורמה אווירית נעה אל יעד קרקעי בצורה מבוקרת, מדויקת ויציבה. אמנם מדובר בשלב ראשוני ובהספקים מוגבלים, אך מבחינה הנדסית זהו הישג משמעותי במיוחד. הפיתוח הטכנולוגי החדשני משלב בין תחומי האנרגיה, האופטיקה, הבקרה, התעופה והפיזיקה של קרינה אלקטרומגנטית, ומסמן כיוון חדש לאופן שבו נוכל בעתיד לייצר, לשנע ולצרוך חשמל.
איך מעבירים חשמל בלי כבלים? הכירו את עקרונות של העברת האנרגיה האלחוטית
בתהליך העברת אנרגיה אלחוטית האנרגיה מומרת לצורה של קרינה אלקטרומגנטית, כלומר, לגלים הנעים במרחב במהירות האור. במקום זרם חשמלי שעובר דרך מוליך מתכתי, הקרינה משודרת מנקודת המקור באמצעות אנטנה או מערכת אופטית, נעה דרך האוויר או החלל, ונקלטת בצד השני באמצעות רכיבי קליטה ייעודיים שממירים אותה בחזרה לאנרגיה חשמלית זמינה לשימוש.
ישנן מספר שיטות עיקריות להעברת אנרגיה אלחוטית, הנבדלות זו מזו בטווח, ביעילות ובאופי השימוש.
בטווחים קצרים מאוד, כמו במטענים אלחוטיים לטלפונים חכמים, נעשה שימוש בהשראה מגנטית: שדה מגנטי מתנודד בתדר נמוך יחסית (בדרך כלל בעשרות עד מאות קילוהרץ) שמעביר אנרגיה בין שני סלילים סמוכים.
בטווח בינוני, כמו לטעינה אלחוטית של כלי רכב חשמליים בחניונים ייעודיים או באמצעות משטחי טעינה המוטמעים בכבישים חכמים, משתמשים בעיקר בהשראה מגנטית בתהודה (Magnetic Resonant Coupling). המערכת כוללת סליל שידור בקרקע וסליל קליטה ברכב, והעברת אנרגיה מתרחשת כאשר שניהם מכוונים לאותו תדר תהודה.
כאשר עוברים לטווחים ארוכים במיוחד – קילומטרים ואף מאות קילומטרים, לא ניתן עוד להסתמך על שדות מגנטיים קרובים, אלא נדרש שימוש בגלים אלקטרומגנטיים מתפשטים במרחב. בטווחים אלה הטכנולוגיה מתבססת על גלי מיקרוגל, לייזר או קרינה בתחום האינפרה-אדום, המאפשרים שיגור אנרגיה למרחקים משמעותיים תוך מיקוד גבוה של הקרן.
עם זאת, אספקת חשמל בהיקפים משמעותיים למרחקים ארוכים, כמו הזנה של רשת חשמל עירונית, עדיין אינה מיושמת בקנה מידה מסחרי. מרבית היישומים הקיימים הם ניסיוניים או ייעודיים מאוד, והמעבר ממערכות הדגמה למערכות תשתית רחבות היקף מחייב התגברות על אתגרי יעילות, בטיחות ועלות.
הקושי העיקרי נובע מכך שחלק מהאנרגיה הולך לאיבוד בכל שלב של ההמרה והשידור, ולכן יש צורך בתכנון שמקטין הפסדים וממקסם את ניצול ההספק. במקביל, יש להבטיח שהקרינה אינה מסכנת בני אדם, בעלי חיים או מערכות תעופה אחרות. שילוב בין יעילות אנרגטית, מיקוד מדויק ועמידה בתקני בטיחות מחמירים הוא שהופך את תחום העברת האנרגיה האלחוטית לאחד האתגרים המורכבים והמעניינים ביותר בהנדסת האנרגיה המודרנית.
רקע היסטורי: מחזון מדעי למציאות ניסויית
הרעיון של העברת אנרגיה באופן אלחוטי אינו חדש, ולמעשה הוא מלווה את עולם המדע וההנדסה כבר יותר ממאה שנה. בתחילת המאה ה־20 ניסו חוקרים טכנולוגיים לבחון אפשרות של שידור אנרגיה דרך האוויר, מתוך שאיפה להשתחרר מהתלות בכבלים פיזיים. רעיונות אלה נותרו ברובם תאורטיים, אך הם הניחו את היסודות להבנה כי קרינה אלקטרומגנטית יכולה לשמש לא רק להעברת מידע, אלא גם להעברת אנרגיה.
פריצת הדרך המחקרית הראשונה הגיעה במהלך שנות ה־60 וה־70 של המאה הקודמת, עם ניסויים בהעברת אנרגיה באמצעות גלי מיקרוגל למרחקים של מאות מטרים ואף יותר. בניסויים אלה פותחו מערכות קליטה ייעודיות, שהצליחו להמיר קרינת מיקרוגל לחשמל ביעילות יחסית גבוהה לתקופה. ההדגמות הוכיחו שהרעיון אפשרי מבחינה פיזיקלית והנדסית, והובילו לדיונים ראשונים על יישומים עתידיים.
גם בתחום הלייזר בוצעו הדגמות שבהן קרן תת קרקעית ממוקדת הזינה מערכות אוויריות קטנות, כמו רחפנים, ואפשרה להן להישאר באוויר זמן רב יותר.
הניסוי: הדגמה בגובה רב
המעבר מהדגמות קרקעיות למערכת המשדרת אנרגיה מפלטפורמה אווירית נעה הוא קפיצה הנדסית משמעותית. מטוס אינו גוף יציב: הוא מושפע מרוחות צד, מערבולות אוויר, שינויי גובה פתאומיים ותנודות מבניות מתמשכות. גם כאשר הטיסה נראית חלקה, קיימות סטיות זוויתיות זעירות בגלגול, בעלרוד ובכיוון, וכאשר מדובר במרחקים של קילומטרים, כל אחת מהן עלולה להסיט קרן אנרגיה ממוקדת עשרות מטרים מנקודת היעד. בנוסף, תנאי אטמוספרה משתנים, כמו לחות, אבק, עננות, משפיעים על דעיכת הקרן ומחייבים תכנון שמביא בחשבון הפסדים אנרגטיים משתנים.
כדי להתמודד עם מציאות דינמית זו פותחו מערכות מתקדמות במיוחד: חיישנים אופטיים ומערכות ניווט מודדים ללא הרף את מיקום המטוס ואת מיקום המטרה הקרקעית, ומחשב בקרה מרכזי מחשב תיקונים זוויתיים זעירים בזמן אמת. הקרן למעשה “נעולה” על היעד ומתקנת את עצמה אלפי פעמים בשנייה, כך שגם סטיות רגעיות אינן גורמות לניתוק הקישור האנרגטי.
במהלך הניסוי טס מטוס קל בגובה של כ־15,000 רגל מעל פני הקרקע. על סיפון המטוס הותקנה מערכת שידור ייעודית, שהמירה אנרגיה חשמלית לקרן ממוקדת בתחום האינפרה-אדום הקרוב. הקרן שוגרה לעבר מתקן קליטה שהוצב על הקרקע ונבנה במיוחד לצורך קליטת הקרינה והמרתה בחזרה לחשמל. המערכת הצליחה לשמור על יישור מדויק של הקרן לאורך זמן, ולהעביר אנרגיה באופן רציף ומבוקר אל נקודת הקליטה.
ההספק שהועבר במסגרת הניסוי היה מוגבל, והוא אינו מיועד בשלב זה להזנת תשתיות או מערכות גדולות. עם זאת, מטרת הניסוי בדיקת יכולת לשמור על קישור אנרגטי יציב בין פלטפורמה אווירית נעה לבין יעד קרקעי. במובן זה, מדובר בהוכחת היתכנות קריטית, שממחישה כי ניתן להתגבר על אחד החסמים המרכזיים בתחום: שילוב בין תנועה, מרחק ודיוק בהעברת אנרגיה אלחוטית.
כיצד פועלת מערכת העברת האנרגיה?
מערכת העברת האנרגיה האלחוטית בניסוי מורכבת ממספר תתי מערכות הפועלות בסנכרון מלא.
על גבי המטוס מותקנת יחידת שידור, שתפקידה להמיר אנרגיה חשמלית לקרן ממוקדת בתחום האינפרה-אדום. היחידה מכילה מערכת אופטית הכוללת עדשות ורכיבי מיקוד ומאפשרת שליטה מדויקת בכיוון הקרן ובפיזור האנרגיה, כך שרוב ההספק מועבר לעבר נקודת היעד.
מרכיב מרכזי נוסף הוא מערכת העקיבה והבקרה. חיישנים אופטיים ומערכות ניווט מודדים בזמן אמת את מיקום המטוס ואת מיקום מתקן הקליטה על הקרקע. מחשב בקרה ייעודי מחשב תיקונים זוויתיים זעירים ומעדכן את כיוון הקרן אלפי פעמים בשנייה. כך נשמר יישור רציף גם כאשר המטוס חווה תנודות, סטיות רוח או שינויי גובה.
בצד הקרקעי מוצבת יחידת קליטה והמרה. הקרן האופטית פוגעת במערך תאים פוטו-וולטאיים שמותאמים במיוחד לספקטרום האינפרה-אדום ומומרת לזרם חשמלי. לאחר מכן עובר הזרם דרך מערכת ניהול אנרגיה שמייצבת את המתח ומאפשרת שימוש מיידי או אגירה. שילוב של שלושת המרכיבים – שידור, עקיבה וקליטה – הוא שמאפשר את פעולת המערכת כמכלול אחד מתואם.
יישומים עתידיים אפשריים
היכולת להעביר אנרגיה אלחוטית מפלטפורמה אווירית נעה פותחת שורה של יישומים פוטנציאליים, שחלקם רלוונטיים כבר בטווח הבינוני וחלקם נשענים על פיתוחים עתידיים נוספים. בניגוד למערכות טעינה קצרות טווח, כאן מדובר בפתרון שיכול לשנות תפיסות תשתית שלמות, במיוחד באזורים שבהם הקמת רשת חשמל קווית היא יקרה, מסוכנת או בלתי אפשרית.
אחד היישומים המיידיים יחסית הוא אספקת חשמל זמנית לאזורים מוכי אסון כמו רעידות אדמה, שיטפונות או סופות קשות. פלטפורמות אוויריות המצוידות במערכות שידור אנרגיה יוכלו לספק הספק נקודתי לבתי חולים שדה, מרכזי פיקוד או מתקני תקשורת, מבלי להסתמך על הובלת דלק.
בסיסים מרוחקים, תחנות ניטור אקלימי, מתקני מחקר באזורים קוטביים או מדבריים דורשים אספקת אנרגיה רציפה בתנאים קיצוניים. במקום להציב קווי מתח יקרים או מערכות דלק לוגיסטיות מורכבות, ניתן יהיה בעתיד להזין מתקנים כאלה באמצעות שיגור אנרגיה אווירי מתוזמן ומדויק.
בתחום התעופה והמערכות הבלתי מאוישות, הפוטנציאל משמעותי במיוחד. רחפנים וכלי טיס בלתי מאוישים משמשים כיום למיפוי, חקלאות חכמה, ניטור תשתיות וביטחון. מגבלת הסוללה היא אחד החסמים המרכזיים לזמן פעולה ממושך. טעינה אלחוטית מהקרקע או ממטוס מלווה עשויה לאפשר שהייה ארוכה בהרבה באוויר, ואף תפעול כמעט רציף במשימות מסוימות.
בטווח הארוך יותר, ניתן לדמיין שילוב של מערכות העברת אנרגיה אלחוטית כחלק ממערך אנרגיה מבוזר. במקום להסתמך על תחנות כוח גדולות ורשתות הולכה ארוכות, ייתכן שבעתיד יתפתחו רשתות היברידיות שבהן חלק מההספק יוזרם באופן אלחוטי לנקודות צריכה משתנות, כמו אתרי בנייה זמניים, אירועים המוניים או מתקנים תעשייתיים ניידים.
