Tento článek je patnáctým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
Mohlo by se zdát, že bezdrátové nabíjení je záležitostí posledních několika let, to však je velký omyl. Myšlenku, že je možné přenášet elektřinu bez drátů, lze vystopovat až k samotným počátkům experimentů s elektřinou. V roce 1826 přichází zakladatel teoretické elektrodynamiky francouzský matematik a fyzik André-Marie Ampèr (1775 - 1836) se svým zákonem celkového proudu (Ampérův zákon), který popisuje vztah magnetického pole k elektrickému proudu, kterým je vytvářené.
V roce 1831 zveřejnil významný anglický chemik a fyzik Michael Faraday (1791 - 1867) svůj fyzikální zákon elektromagnetické indukce, podle něhož změnou magnetického pole vzniká v uzavřeném elektrickém obvodu elektrické napětí. Až dosud se elektrická energie vyráběla pouze chemickou cestou a Faraday tak pokládá základy pro všechny elektromotory a dynama. V roce 1836 pak irský kněz a vědec otec Nicholas Joseph Callan (1799-1864) vynalézá indukční cívku. Existenci elektromagnetického záření pak v roce 1888 potvrzuje další neméně slavný vědec německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894).
Velkým průkopníkem bezdrátového přenesu elektřiny a držitel několika patentů byl i americký vynálezce srbského původu, fyzik a konstruktér elektrických strojů, zařízení a přístrojů Nikola Tesla (1856 - 1943), který mimo jiné již v roce 1891 demonstruje bezdrátový přenos elektrické energie pomocí elektrostatické indukce. Pokusy s bezdrátovým přenosem elektřiny a nabíjením probíhají pak zejména v druhé polovině 20. století.
Začalo to krystalkou
Jedním z nejranějších příkladů praktického využití bezdrátového napájení představuje krystalka, což je označení primitivního rozhlasového přijímače, který nepotřebuje pro svůj provoz napájení. Místo toho energii bere přímo z vysílaného signálu, který rozkmitává membránu jejího sluchátka. Krystalky byly prvními široce rozšířenými rozhlasovými přijímači a hlavním typem používaným v éře bezdrátové telegrafie mezi lety 1887 - 1920. Jejich nízké ceně a spolehlivosti vděčí rozhlas za masivní růst posluchačské základny kolem roku 1920.
Objevují se lékařské implantáty jako je v první polovině 80. let umělé srdce Jarvick 7, které je napájeno pomocí přeskožního přenosu energie (transcutaneous energy transfer - TET). Systém skládající se ze dvou cívek - interní v implantátu a externí, umožnil přenos energie z externí baterie přes pokožku, aniž by bylo nutné propíchnout kůži, což výrazně snížilo možnost infekce.
Na počátku 90. let přichází společnost Braun s prvními elektrickými kartáčky Oral B nabíjenými indukcí a brzy se objevuje další zařízení péče o tělo vybavené tímto typem nabíjení, jako jsou holicí strojky. Ačkoli je v té době bezdrátové nabíjení stále ještě nevýkonné a pomalé, právě u těchto zařízení to vyvažuje výhoda spočívající v tom, že elektronika může být dokonale uzavřena a nehrozí tak riziko koroze i v tak vlhkém prostředí, jako je koupelna.
Za nápadem byl vybitý mobil
Největší rozmach však nastává po odstranění většiny hlavních nevýhod a zvýšení účinnosti až na počátku v 21. století a podle historky, která se traduje, za to mohl neustále vybitý mobilní telefon chorvatského fyzika a elektrotechnika Marina Soljačiće. Poté, co ho už poněkolikáté za měsíc probudil mobilní telefon pípáním signalizující prázdnou baterii, napadlo ho, co by dal za to, kdyby se telefon staral o nabíjení sám, a začal přemýšlet nad tím, jak zařídit, aby se nabíjel bezdrátově.
O několik let později, v roce 2007, tým vědců z Massachusettského technologického institutu (MIT), představil řešení problému, který začal vybitým telefonem. S pomocí technologie elektromagnetické rezonance se jim podařilo přenést bezdrátově elektrickou energii a rozsvítit na dvě minuty 60W žárovku. K přenosu použili dvě měděné cívky s pěti závity 60 centimetrů, které byly navrženy tak, aby společně rezonovaly na frekvenci 9,9 MHz (vlnová délka ≈ 30 m) a byly orientovány podél stejné osy. Při vzdálenosti dvou metrů byla dosažena čtyřicetiprocentní efektivnost a to přesto, že mezi oběma cívkami byla umístěna dřevěná deska.
Použití rezonance obecně, nejen té elektromagnetické, má tu výhodu, že k výměně energie dochází pouze mezi rezonujícími předměty naladěné na stejné rezonanční frekvenci, a jiné objekty včetně lidského těla ovlivňuje pouze minimálně. Další výhodou je, že se nespotřebovaná energie se bezúčelně nevyzařuje do okolního prostoru, ale zůstává soustředěná okolo vysílajícího rezonátoru. Účinnost a přenosová vzdálenost přitom závisí na velikosti rezonátorů. Elektromagnetická rezonance přitom nevyžaduje, aby mezi vysílajícím a přijímajícím rezonátorem byla přímá viditelnost.
Technologie, na jejímž vývoji se kromě MIT podílel i armádní Institute for Soldier Nanotechnologies, dostala komerční jméno WiTricity. V dubnu 2011 automobilka Toyota a v září 2012 stejnojmenná společnost ohlásila, že nabídne za zainteresovaným stranám za 1000 dolarů demonstrační kity, aby podpořila vývoj komerčních aplikací. WiTricity však není jedinou firmou, která pracuje s elektromagnetickou rezonancí jako způsobem pro bezdrátové nabíjení. Zcela vážně se jí zabývá i Intel a pro dobíjení svých smartphonů jí chce použít i Samsung.
Mobily sází na indukci
Již zmiňovaný přenos radiovým signálem jako u krystalky ani elektromagnetická rezonance však nejsou jedinými metodami pro bezdrátové nabíjení. U mobilních telefonů se více prosazuje metoda elektromagnetické indukce. Která má však proti rezonanci tu nevýhodu, že přenáší elektřinu na výrazně kratší vzdálenost a mobilní telefon musí být při nabíjení položen na speciální nabíjecí podložku.
S fungováním elektromagnetické indukce se běžně setkáváme i v kuchyni. Na principu indukce fungují oblíbené indukční vařiče, v nichž se však nepřenáší energie, ale vyráběním magnetického pole dochází k ohřevu materiálu. V případě nabíjení to v praxi vypadá tak, že v obou zařízeních jsou umístěné indukční cívky. Do indukční cívky v nabíjecí podložce je přiváděn elektrický proud, který vytváří permanentně se měnící magnetické pole. Když se do tohoto pole dostane druhá cívka v nabíjeném zařízení, začne indukovat střídavý elektrický proud, který již stačí pouze usměrnit a uložit do baterie.
Výhodou indukčního nabíjení je, že nemusíte neustále připojovat a odpojovat zařízení, čímž šetříte nabíjecí kontektor i kabel. Nabíjení je i pohodlnější. Přístroj stačí pouze na nabíjecí podložku položit nebo postavit do stojánku.
Na druhou stranu jsou tu i nevýhody. Vzhledem k nižší účinnosti je nabíjení pomalejší. V současné konfiguraci musí navíc při nabíjení ležet zařízení na podložce, zatímco při běžném nabíjení přes kabel s ním do jisté míry můžete volně manipulovat. Bezdrátové nabíječky jsou vzhledem k tomu, že vyžadují řídící elektroniku a cívky v obou zařízeních, dražší a složitější na výrobu. Současný trend používání ultratenkých cívek, vyšší frekvence a optimalizované řídící elektroniky, což snižuje přenosové ztráty, však tyto nevýhody do značné míry eliminují.
Kompatibilitu má zajistit Qi
Prvním komerčně prodávaným smartphonem s bezdrátovým nabíjením byl v lednu 2009 představený Palm Pre. Jeho volitelným příslušenstvím byla bezdrátová nabíječka "Touchstone", která měla podobu speciální podložky a stala se standardem pro následující modely Palmu.
Aby se zabránilo chaosu při používání různých typů standardů a zajistila se kompatibilita podobně jako u USB, oznamuje v srpnu 2009 konsorcium technologických firem The Wireless Power Consortium, že se blíží dokončení nového průmyslového standardu nízkoenergetického bezdrátového nabíjení pojmenovaného Qi.
Mezi prvními výrobci, kteří implementovali indukční nabíjení podle standardu Qi, byla finská Nokia a její smartphony Lumia 820 a 920 představené 5. září 2012. Bezdrátové nabíjení však nabídl i Nexus 4 z listopadu 2012, který pro Google vyrobilo LG. Na konci stejného měsíce představilo HTC svůj DNA Droid, který rovněž podporuje Qi standard. Pozadu nezůstal ani Samsung, který tuto funkci nabídl letos v březnu v modelu Galaxy S4. Bezdrátovým nabíjením přes standard Qi je vybavený i letošní Nexus 5 nebo Nexus 7 (2013) a rovněž Droid 3 a Droid 4 od Motoroly.
Bezdrátové nabíjení má před sebou růžovou budoucnost
V budoucnu by se mohla z bezdrátového nabíjení stát součást běžné výbavy telefonů a tabletů, i když zatím se tato vymoženost prosazuje jen velmi pomalu. Další verze standardu Qi odstraní dětské nemoci a již zmiňované úpravy a optimalizace umožní výrobu mnohem kompaktnějších a rychlejších nabíječek a zároveň se sníží i jejich cena.
Bezdrátové nabíjení však nečeká masové rozšíření pouze u mobilních telefonů, ale i u dalších druhů elektroniky. Obzvlášť zářivá budoucnost se jim však předvídá u elektromobilů, kde by mohly vyřešit problém s kapacitou akumulátorů a tím i prodloužit dojezd. Takový elektromobil by se mohl v ideálním případě dobíjet při jízdě z vysílačů zabudovaných přímo v povrchu silnice, například na křižovatkách.
