טכנולוגית החשמל האלחוטי הולכת ותופסת תאוצה. בקרוב, מפצלים מרובי שקעים וסבך הכבלים מאחורי המחשב או הטלוויזיה יהיו נחלת העבר. בטח שאלתם את עצמכם, מי המציא, איך זה עובד, האם זה בטיחותי ואיך זה הולך לשנות לנו את החיים? על כל זה נענה בסדרה של שתי כתבות, חלק א' – שמתפרסם היום, וחלק ב' שיתפרסם בשבוע הבא.

קצת היסטוריה

כמה זה מעצבן שבאמצע הלילה, פתאום, מתחיל הפלאפון לצפצף ולהתריע על סוללה חלשה. אז במקרה הטוב, נתהפך במיטה, ניקח את הכרית ונהדק אותה טוב מעל ראשינו אך נישא בתוצאות – סוללה חלשה בבוקר. במקרה הרע, נקום מהמיטה, נאתר את הפלאפון, נחפש את המטען, נחבר בניהם לבין חברת חשמל, נחזור למיטה, ונתקשה להירדם עד הבוקר. להבא, כשמקרה כזה קורה לנו, אנחנו יכולים לנסות לזכור להטעין או להמשיך להתעצבן בזמן השינה, אבל כשזה קרה לפרופסור מארטין סוליאצ'יץ' (Marin Soljacic) מ-MIT הוא כבר מצא דרך לפתור את הבעיה. אומנם הוא לא המציא את הגלגל, אך גרם לו להסתובב בשנית, לאחר שהומצא כ-100 שנה קודם לכן על ידי הממציא ניקולה טסלה (Nikola Tesla).

רובנו לא מכירים את הממציא שעומד מאחורי לא מעט פטנטים והמצאות כגון: נורת הפלואורסנט, מד האוץ (ספידומטר), מערכת הצתה למכוניות, תנור המיקרוגל ומנוע ההשראה החשמלי, כמו שאנחנו מכירים אותו כיום.

ניקולה טסלה נולד בעשרה ביולי 1856 למשפחה סרבית שהתגוררה על גבול האימפריה האוסטרו-הונגרית באזור קרואטיה של היום. עדויות אחדות מימי ילדותו מספרות כי בהיותו בן חמש שנים בלבד, בנה בכוחות עצמו גלגל משוטים שהסתובב במים זורמים. טסלה המתבגר בחר ללמוד הנדסה בבית הספר הפולי טכני ג'ואנאום בגראץ שבאוסטריה, שם גילה תשוקה אדירה לעולם הפיזיקה והחשמל. בסיום לימודיו, התחיל טסלה לעבוד במחלקה להנדסת חשמל במשרד הטלגף הממשלתי האוסטרי ולאחר מספר שנים עבר לעבוד, בתפקיד דומה, בשלוחה הפריסאית של חברת אדיסון. בשנת 1884 פנה אליו אדיסון והזמין אותו לעבוד במפעלו בארה"ב. במשך שנה, עבד טסלה עבור אדיסון, שבסופה נפרדו דרכיהם של הממציאים בריב גדול. הריב המדובר היה סביב סכום כסף, בונוס שטסלה אמור היה לקבל על תכנון מערכת משופרת לתאורת קשת (תאורה המתבססת על ניצוצות חשמל המזנקים בין שתי אלקטרודות) ולא קיבל. טסלה, הכעוס והמאוכזב, לקח את חפציו והתפטר. מכאן והלאה, אדיסון וטסלה המשיכו להתכסח עד סוף דרכם.

אדיסון ניסה להכפיש את שמו של טסלה ולעג לפיתוח של מערכת החשמל בזרם חילופין (AC), כשהציע לקרוא לכסא החשמלי הראשון על שמו של טסלה. טסלה לעומת זאת, הדגים בתערוכה עולמית, שהתקיימה ב-1893, את הבטיחות הגלומה בזרם החילופין על ידי העברת זרם בתדר גבוה – דרך גופו, אל נורה שנדלקה באופן אלחוטי, ובשנת 1898, הדגים לציבור דגם סירה ראשון המופעל בשלט רחוק.

ב-1891, נוצר קשר בין טסלה לממציא-תעשיין אמריקאי, ג'ורג' ווסטינגהאוז, יחד הקימו את תחנת כוח הידראולית במפלי הניאגרה, ובכך סיפקו חשמל לבית חרושת בקרבת מקום.

הממציא, נהנה מכסף ופנה לפיתוח חזונו: לספק אנרגיה חשמלית לכל אדם בעולם ובאופן אלחוטי. את הרעיון זה ניסה לממש על ידי בניית ה"טסלה קוייל" (לחלקנו שם זה ישמע מוכר ממשחק המחשב "Red-Alert"), בלונג איילנד (ניו-יורק) בשנת 1901. לפי השמועות, טסלה הצליח להעביר חשמל לעבר סניף בנק במרחק 26 מיילים, ולגרום ל- 200 נורות ומנוע חשמלי לעבוד. אך טסלה לא השלים את פיתוחו והממשל האמריקאי סגר לו את האתר עכב סיבות ביטחוניות.

MIT ביצעה ניסוי מוצלח של העברת חשמל באוויר

"תארו לעצמכם עתיד שבו העברת כוח חשמלי ללא כבלים אפשרית: טלפונים סלולריים, רובוטים ביתיים, מכשירי MP3, מחשבים ניידים ושאר האביזרים האלקטרוניים הניידים יוכלו להטעין את עצמם בלא להיות מחוברים בכבלים לחשמל, ובכך לשחרר אותנו מהכבלים האחרונים שנשארו לנו – כבלי החשמל. יתכן שחלק מהמכשירים הללו לא יידרשו אפילו סוללות מגושמות כדי לפעול". כך כותב פרנקלין הדלי, מהמכון לננוטכנולוגיה צבאית ב-MIT בעקבות מחקר שביצע צוות של חוקרים מהמחלקה לפיסיקה, המחלקה להנדסת חשמל ולמדעי המחשב והמכון לננוטכנולוגיה צבאית, במסגרתו הצליחו החוקרים להדגים בניסוי, שנערך ביוני 2007, העברת חשמל באופן אלחוטי.

החוקרים אנדר קורס, אריסטידיס קלאריס, רוברט מוטאף, פרופ' פיטר פישר ופרופ' ג'ון ג'ואנופאלוס וראש הצוות, פרופ' מארין סולאיצ'יץ' הצליחו לממש את התחזית התיאורטית שלהם ולהדליק נורה בהספק של 60 ואט ממקור כוח שהיה מרוחק למעלה מ-2 מטרים מהנורה ללא כל קשר פיזי בין המקור ובין הנורה. הניסוי המוצלח בוצע ב"יעילות של 50%". הצוות של MIT כינה את היכולת הזו WiTricity קיצור של  Wireless Electricity.

איך זה עובד? – ממש כמו שזמרת אופרה מצליחה לנפץ כוס יין

בטבע, גופים בעלי תהודה זהה יכולים להעביר אנרגיה בין אחד לשני. דוגמה אחת לתהודה אקוסטית היא זמרת האופרה ששרה תו אחד מסוים, בדיוק גבוה, לאורך זמן ובתדירות גבוהה מאוד ובכך גורמת לכוס היין להתנפץ.

דוגמה שניה לתהודה מכאנית היא גשר מצר "טקומה" (Tacoma Narrows Bridge) בארה"ב. בשבעה בנובמבר 1940, בשעות הבוקר, החל הגשר, שאורכו 1.6 ק"מ, להתנדנד באופן שונה – זה לא שהייתה רוח חזקה במיוחד, או גורם קיצוני אחר, אלא שהגשר התחיל להתנדנד בצורה גלית במשך למעלה משעה, שבסופה קרס לתוך המצר.

לפני שאתחיל להסביר איך הפרופסור ניצל תופעה זאת כדי להעביר את החשמל באוויר, נעבור על כמה מושגים (מתוך ויקפדיה):

חשמל: זרם של אלקטרונים הנעים בתוך מוליך (חוט חשמל), או דרך פריקת מטען דרך האטמוספרה (כדוגמת ברק).

זרם חילופין (מסומן ב- AC) הוא זרם חשמלי שהופך את כיוונו באופן מחזורי. זרם זה נתגלה וקודם על ידי הפיזיקאי ניקולה טסלה. זרם חילופין נפוץ מאוד ביישומים הדורשים מתח גבוה. בשיטה האירופית מתח זרם החילופין הביתי הוא 220 וולט, ואילו בשיטה הצפון-אמריקנית הוא 110 וולט.תדירות הזרם נמדדת ביחידות של הרץ (מספר מחזורים בשנייה). הזרם בישראל מיוצר בתדירות 50 הרץ, כלומר הוא משלים 50 מחזורים בשנייה ובכך מחליף את כיוונו 100 פעמים בשנייה (בשיטה האמריקנית התדירות היא 60 הרץ). מכיוון שזרם זה נע מקוטב אחד למשנהו וחוזר חלילה, אפשר להפוך את הקטבים של תקעי המכשירים המשתמשים בו. כך למשל במכונת גילוח אין חשיבות לסדר החיבורים – פלוס ומינוס.

מגנטיות: אחד הכוחות הפועלים בטבע, אשר גורם למספר חומרים להימשך אחד לשני. דוגמה לכוח מגנטי קבוע הוא הכוח המגנטי של כדור הארץ שגורם למצפן שלנו לפנות צפונה. כמו כן, ניתן ליצור מגנט על ידי העברת זרם בסליל.

תהודה (Resonance ) היא מצב של מערכת פיזיקלית הנתונה להשפעת כוח חיצוני, אשר מתקבל כאשר הכוח פועל בתדירות קרובה לאחת מתדירויות התנודה הטבעיות של המערכת. דוגמה פשוטה לתהודה אפשר לראות כאשר מנדנדים נדנדה תלויה. נניח שהנדנדה חוזרת לאותו מקום מדי שלוש שניות. במקרה זה זמן המחזור הטבעי של הנדנדה הוא שלוש שניות. אם דוחפים את הנדנדה, אפילו באורח קל, מדי שלוש שניות (ותמיד באותו כיוון), תצטבר ההשפעה שתוכל להגדיל מאוד את מהירות הנדנדה. זוהי תהודה. לעומת זאת, אם דוחפים את הנדנדה בפרק זמן השונה מכפולה שלמה של זמן המחזור, למשל מדי חמש שניות או שמונה שניות, אזי לאורך זמן יבטלו הדחיפות זו את זו, מכיוון שבחלק מהמקרים הדחיפה תהיה עם כיוון התנועה, ובחלק נגדה. במקרים אלה המערכת אינה בתהודה.

"יאללה, דבר תכלס, איך זה פועל?"

בתוך השנאים שכולנו מכירים (לטעון את הפלאפון, לדוגמה), ישנם שני סלילי חוטים הקרובים אחד אל השני, ולמעשה מעבירים חשמל בצורה מגנטית ואלחוטית (ותוך כדי משנים את המתח) רק על פני מרחק קצר מאוד. על אותו רעיון עובדת הטכנולוגיה של פרופסור סוליאצ'יץ' שמצא דרך להפריד את הסלילים בשנאי למרחק גדול יותר.

הסוד הוא תהודה מגנטית. ניקח סליל נחושת אחד (שמחובר אליו קבל), נעביר דרכו זרם חילופין (נדרשת תדירות גבוהה) ובכך נגרום לסליל ל"הדהד" – להלן ה"משדר". ניקח סליל נחושת שני, להלן ה"מקלט", נקרב אותו קרוב מספיק לסליל הראשון ונדאג שיפעל בדיוק באותה תדירות. תהליך זה יגרום להם ל"שתף פעולה" או בשפה המקצועית, לגרום ל"צימוד חזק" ולהעביר אנרגיה מגנטית ביניהם. בעצם, מתחילים עם חשמל, הופכים אותו לשדה מגנטי, לוקחים את השדה המגנטי הזה, והופכים אותו חזרה לחשמל. 

להלן כמה דוגמא להמחשה (לא לנסות זאת בבית!):

אז אחרי שלמדנו איך זה פועל, נקפוץ כמה שנים קדימה…

אני מגיע לביתי, מחנה את הרכב בגארז', מעל פס הטעינה. קול נעים של אישה מבשר לי כי הטעינה האלחוטית החלה. לוקח את התיק מהמושב האחורי ונכנס לביתי. שומע צפצוף קל מהפלאפון, חשש להודעה. מוציא את הפלאפון מהכיס אבל אין זאת הודעה, על המסך נגלת לפניי אייקון של סוללה ירוקה – המכשיר נכנס לטעינה. ניגש לחדר העבודה, מוציא את הלפטופ, מניח אותו על שולחן, לא חולפת לה שנייה, ושולחן העץ מתחיל בעבודה, טעינת הסוללה. ניגש לסלון, יש קלסיקו היום, פותח את הטלוויזיה שתלויה על הקיר ללא חוטים, פשוט רהיט מדהים. מחצית, ניגש למטבח להכין קפה, מוודא את מיקום הקומקום – על השיש ומעל "הנקודה החמה". נותן "פוש", והולך בינתיים להימתח על הספה.

אנחנו לא רחוקים ממציאות זאת.

בחלק ב' של הכתבה נעסוק בשאלות: כמה טכנולוגיה זאת בטוחה לשימוש? מהם המוצרים הקיימים כבר היום? מה צופן לנו העתיד? ובמה תורמת טכנולוגיה זאת עוד צעד, לסביבה ירוקה יותר.

חלק ב' של "חשמל באוויר".