Patched-Wall Quasistatic Cavity Resonators for 3-D Wireless Power Transfer

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके फोन, आपके सेंसर और आपके छोटे रोबोटों को कभी भी प्लग लगाने या उनकी बैटरी बदलने की आवश्यकता न हो। वे बस अपने आस-पास की हवा से शक्ति खींचते हैं, बिना कभी चार्ज होने के लिए रुके कमरे में स्वतंत्र रूप से घूमते रहते हैं। यह वायरलेस पावर ट्रांसफर का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो लंबे समय से डेस्क पर साधारण चार्जिंग पैड या मेज की सपाट सतहों से आगे बढ़ने के लिए संघर्ष कर रहा है। जबकि कुछ विधियाँ कमरे के आर-पार शक्ति भेज सकती हैं, उनमें अक्सर उपयोगी कार्य करने के लिए पर्याप्त शक्ति की कमी होती है या वे व्यावहारिक होने के लिए बहुत अक्षम होती हैं। अन्य विधियाँ स्थान को ऊर्जा से भर सकती हैं, लेकिन वे मजबूत विद्युत क्षेत्रों पर निर्भर करती हैं जो कमरे में मौजूद वस्तुओं के साथ खराब तरीके से परस्पर क्रिया करते हैं, या उन्हें कमरे के भीतर भारी धातु संरचनाओं की आवश्यकता होती है जो दैनिक जीवन में बाधा डालती हैं। चुनौती एक ऐसी प्रणाली बनाने की थी जो पूरे तीन-आयामी कमरे को शक्ति से भर दे, कुशलता से काम करे, और स्थान को लोगों और उपकरणों के घूमने के लिए पूरी तरह से खाली छोड़ दे।

टोक्यो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जिसका उद्देश्य आंतरिक बाधाओं की आवश्यकता को हटाकर इस समस्या को हल करना है। उनका कार्य एक प्रकार के सिस्टम पर केंद्रित है जिसे 'क्वासिस्टैटिक कैविटी रेज़ोनेटर' (quasistatic cavity resonator) कहा जाता है, जो चुंबकीय क्षेत्रों को निर्देशित करने के लिए कमरे की दीवारों का उपयोग करता है। इस तकनीक के पिछले संस्करणों में, कमरे के पूर्ण कवरेज को प्राप्त करने के लिए स्थान के केंद्र में एक बड़े, चालक पोल (conductive pole) की आवश्यकता होती थी, जो ऊर्जा को निर्देशित करने के लिए एक रीढ़ की हड्डी की तरह कार्य करता था। हालांकि यह काम करता था, लेकिन वह पोल एक बड़ी बाधा था, जो आवाजाही को रोकता था और इस प्रणाली को दैनिक उपयोग के लिए अव्यावहारिक बनाता था। टीम का नया दृष्टिकोण, जिसे वे "पैच्ड-वॉल" (patched-wall) रेज़ोनेटर कहते हैं, इस केंद्रीय पोल को पूरी तरह से समाप्त कर देता है। एक एकल ठोस संरचना के बजाय, वे कमरे की दीवारों, फर्श और छत को कैपेसिटर्स द्वारा जुड़े हुए अलग-अलग धातु खंडों में विभाजित करते हैं। यह चतुर व्यवस्था प्रणाली को दो अलग-अलग प्रकार के चुंबकीय ऊर्जा पैटर्न उत्पन्न करने की अनुमति देती है जो कमरे के हर कोने को, दीवारों से लेकर बिल्कुल केंद्र तक, बिना किसी भौतिक बाधा के कवर करने के लिए मिलकर काम करते हैं।

इस डिज़ाइन का मूल आधार यह है कि धातु के खंड बिजली के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं ताकि चुंबकीय क्षेत्र बन सकें। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि यह प्रणाली ऊर्जा के साथ कंपन करने या गूँजने (resonating) के दो पूरक तरीकों का समर्थन करती है। पहला पैटर्न, जिसे वे 'पोल-इंडिपेंडेंट मोड' (pole-independent mode) कहते हैं, स्वाभाविक रूप से अपनी ऊर्जा दीवारों और कोनों के पास केंद्रित करता है। यह उपयोगी है क्योंकि यह सुनिश्चित करता है कि दीवारों के पास या कोनों में रखे गए उपकरणों को भी शक्ति प्राप्त हो, जो एक ऐसी जगह है जहाँ अन्य प्रणालियाँ अक्सर विफल हो जाती हैं। दूसरा पैटर्न, जिसे 'सरफेस-हेल्महोल्ट्ज़ मोड' (surface-Helmholtz mode) के रूप में जाना जाता है, वह नवाचार है जो केंद्रीय पोल की आवश्यकता को प्रतिस्थापित करता है। फर्श और छत के खंडों के बीच कनेक्शनों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, प्रणाली कमरे के ठीक बीच में एक मजबूत और समान चुंबकीय क्षेत्र बनाती है। यह इसलिए प्राप्त किया जाता है क्योंकि करंट फर्श और छत के साथ एक ही दिशा में लूप में बहते हैं, जिससे प्रभावी रूप से कमरे की सीमाओं को एक विशाल, अदृश्य कॉइल में बदल दिया जाता है जो केंद्र में शक्ति उत्पन्न करती है।

यह विचार कितनी अच्छी तरह काम करता है, इसका परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 4.9 मीटर गुणा 4.9 मीटर और 2.3 मीटर की ऊंचाई वाले कमरे का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जिसका आयतन 54 घन मीटर है। उन्होंने दीवारों को एल्युमीनियम शीट के रूप में मॉडल किया और खंडों को जोड़ने के लिए कैपेसिटर्स का उपयोग किया, और प्रणाली को एक विशिष्ट आवृत्ति (frequency) पर संचालित करने के लिए ट्यून किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि उपकरण के स्थान के आधार पर दोनों अनुनाद पैटर्न (resonant patterns) के बीच स्विच करके, प्रणाली पूरे स्थान में उच्च स्तर की पावर ट्रांसफर दक्षता बनाए रख सकती है। जब उन्होंने परिणामों का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि संयुक्त प्रणाली ने कमरे के भीतर कहीं भी न्यूनतम 48.1 प्रतिशत की दक्षता हासिल की। इसका अर्थ यह है कि कमरे के भीतर सबसे खराब स्थिति वाले स्थान में भी, सिस्टम में भेजी गई कुल शक्ति का लगभग आधा हिस्सा सफलतापूर्वक रिसीवर तक स्थानांतरित हो गया। इसके विपरीत, केवल एक पैटर्न का उपयोग करने से ऐसे महत्वपूर्ण अंतराल रह गए जहाँ दक्षता शून्य तक गिर गई, जिससे सिद्ध हुआ कि एक निर्बाध, अबाधित चार्जिंग वातावरण बनाने के लिए दोनों पैटर्न आवश्यक हैं।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि कमरे का भौतिक आकार और धातु के खंडों के बीच के अंतराल का आकार प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि यह प्रणाली सुदृढ़ थी; यहाँ तक कि जब उन्होंने कोनों और फर्श एवं छत के केंद्र में खुले स्थानों के आकार को बदला, तब भी दोनों पैटर्न प्रभावी ढंग से एक साथ काम करते रहे। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे कैपेसिटर के मानों को बदलकर या कमरे की ज्यामिति (geometry) में थोड़ा बदलाव करके सिस्टम की ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी को आसानी से समायोजित कर सकते हैं। यह लचीलापन बताता है कि इस डिज़ाइन को बिना पूर्ण कवरेज खोए विभिन्न आकार के कमरों और आकारों के अनुकूल बनाया जा सकता है। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि सिस्टम एक विशिष्ट स्थान के लिए सही पैटर्न को चुनिंदा रूप से उत्तेजित (excite) कर सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि केंद्र में स्थित उपकरण को मजबूत केंद्रीय क्षेत्र मिले, जबकि दीवार के पास स्थित उपकरण को परिधि के लिए डिज़ाइन किया गया क्षेत्र पैटर्न मिले।

हालाँकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता स्पष्ट हैं कि यह कार्य वर्तमान में एक सिमुलेशन है और इसे अभी तक एक वास्तविक कमरे में बनाया और परीक्षित नहीं किया गया है। प्रस्तुत किए गए आंकड़े, जिनमें दक्षता दर और क्षेत्र वितरण शामिल हैं, कंप्यूटर मॉडल से आते हैं जिन्हें पहले से बने समान सिस्टम के विरुद्ध मान्य किया गया है। टीम का कहना है कि उनके द्वारा प्रस्तावित घटक, जैसे धातु की चादरें और कैपेसिटर, मानक और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं, जो यह सुझाव देता है कि एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाना संभव है। वे यह भी बताते हैं कि किसी भी ऐसे सिस्टम के लिए सुरक्षा एक महत्वपूर्ण विचार है जो कमरे को इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड से भर देता है, और हालांकि पिछली समान प्रणालियों ने दिखाया है कि सुरक्षित पावर स्तर संभव हैं, इस नए डिज़ाइन के लिए एक विशिष्ट सुरक्षा विश्लेषण एक आवश्यक अगला कदम है। उनके सैद्धांतिक गणनाओं और विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के बीच की सहमति उन्हें विश्वास दिलाती है कि डिज़ाइन के पीछे का भौतिक विज्ञान सुदृढ़ है।

इस कार्य का महत्व वास्तव में सर्वव्यापी वायरलेस पावर की अंतिम बड़ी बाधा को हटाने की इसकी क्षमता में निहित है। यह सिद्ध करके कि एक कमरे को केंद्रीय पोल या अन्य आंतरिक संरचनाओं की आवश्यकता के बिना शक्ति से भरा जा सकता है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसे भविष्य का द्वार खोल दिया है जहाँ उपकरण किसी भी स्थान में बिना तार के संचालित हो सकते हैं। यह सेंसर से लेकर उन रोबोटों तक, जो ऊर्जा समाप्त होने की चिंता किए बिना स्वतंत्र रूप से चलते हैं, विविध अनुप्रयोगों का समर्थन कर सकता है। यह डिज़ाइन दर्शाता है कि स्थान की सीमाओं को आकार देकर, इंजीनियर ऊर्जा के जटिल और उपयोगी क्षेत्र बना सकते हैं, जिससे दीवारों और छत को स्वयं शक्ति के स्रोत में बदला जा सकता है। यदि इस तकनीक को बनाया और परिष्कृत किया जा सकता है, तो यह हमारे आसपास के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ हमारे व्यवहार को बदल सकती है, जिससे वायर-फ्री, बैटरी-मुक्त जीवन की अवधारणा एक वास्तविक वास्तविकता बन सकती है।