L’elettricità wireless

L’azienda neozelandese Emrod, con sede a Auckland, ha recentemente avviato un tentativo sperimentale di sviluppare un modello di tele-energia elettrica. È una tecnologia che ha finora trovato applicazioni specifiche in ambito spaziale e militare, ma non ha ancora mai prodotto alternative commerciali alle tradizionali infrastrutture energetiche pubbliche. Il tentativo è ritenuto importante e prezioso per le implicazioni – sia nei vantaggi che nei rischi – relative a un possibile utilizzo futuro su larga scala di un modello simile di trasferimento di energia senza fili (in inglese wireless power transfer, WPT).

Emrod ha lavorato con il sostegno del governo neozelandese e in collaborazione con il distributore nazionale Powerco per progettare un prototipo destinato all’utilizzo in una struttura chiusa di prova. In un progetto separato sta eseguendo una serie di test per indirizzare energia elettrica da un parco fotovoltaico sull’Isola del Nord verso un cliente situato a diversi chilometri di distanza.

L’obiettivo di Emrod è quello di espandere un sistema di trasmissione di energia wireless dove questo sia preferibile o dove non sia possibile sfruttare i sistemi convenzionali di trasmissione e distribuzione via cavo o tramite altri mezzi fisici. Altre aziende come la giapponese Mitsubishi Heavy Industries e TransferFi, con sede a Singapore, stanno lavorando a progetti analoghi di trasferimento di energia sfruttando diverse tecnologie.

Il modello alla base del progetto di Emrod non è nuovo: l’energia viene convertita in radiazione elettromagnetica da un’antenna trasmittente, captata da un’antenna ricevente e poi distribuita localmente tramite i mezzi convenzionali. È qualcosa di simile a quanto avviene nei comuni sistemi radio, ma in quel caso la quantità di energia richiesta per rendere il segnale potenzialmente fruibile è piuttosto bassa. Di fatto pochissima energia può essere trasferita a un singolo ricevitore, da cui la necessità di utilizzare un amplificatore di segnale nella maggior parte dei sistemi audio. E inoltre, nei sistemi radio, il segnale è distribuito in tutte le direzioni.

L’idea di trasmettere energia elettrica attraverso l’aria creando un campo magnetico tra circuiti fisicamente separati era già alla base di molti innovativi esperimenti condotti nella seconda metà dell’Ottocento dall’inventore, fisico e ingegnere Nikola Tesla. La bobina di Tesla (o “trasformatore risonante”) era un dispositivo in grado di produrre elettricità a corrente alternata tra circuiti elettrici accoppiati in risonanza, in sistemi funzionanti a corte distanze. Lo stesso Tesla era tuttavia convinto di poter utilizzare questa tecnologia per sviluppare un’energia wireless a lungo raggio.

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Nel progetto sperimentale di Emrod, l’energia è trasmessa come un fascio ristretto di microonde, in modo mirato. Questo permetterebbe di superare due limiti fondamentali nel piano di Tesla. Uno è come addebitare alle persone i costi di un’elettricità che in teoria potrebbero semplicemente raccogliere dall’aria. L’altro è imposto dalle caratteristiche stesse della propagazione del flusso di energia di un’onda nello spazio, che si riduce drasticamente anche a brevi distanze dalla sorgente. Trasmettere energia in un fascio stretto anziché irradiarla in tutte le direzioni potrebbe in parte risolvere questi problemi di dispersione.

In passato esperimenti relativi al trasferimento di energia senza fili sono stati condotti con successo per applicazioni militari e per l’utilizzo nello Spazio. Un record tuttora in vigore fu stabilito dalla NASA nel 1975, quando 34 kW di potenza elettrica furono forniti a una distanza di 1,55 chilometri tramite microonde a una frequenza di 2,38 GHz. Nei suoi primi tentativi Emrod trasmetterà «pochi kilowatt» lungo una distanza di 1,8 chilometri, per poi aumentare progressivamente sia distanza che potenza. L’efficienza finale prevista per questo sistema è del 60 per cento, secondo il fondatore dell’azienda Greg Kushnir, che lo ritiene un margine sufficiente a rendere questo sistema già commercialmente sensato oggi, in circostanze e luoghi in cui l’installazione di tradizionali linee elettriche sarebbe più costosa.

Oltre alla sorgente di alimentazione del sistema e all’antenna trasmittente, il modello di Emrod prevede altri due componenti essenziali. Uno è l’antenna utilizzata a destinazione per convertire le microonde in corrente continua, una tipologia nota con il nome “rectenna” (contrazione di rectifying antenna) e con una forma abbastanza diversa dalle classiche antenne. Per migliorarne l’efficienza sarà costruita utilizzando “metamateriali”, materiali compositi contenenti piccole quantità di metalli conduttori.

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L’altro componente sono i relè, disposti in modo da deviare il fascio di microonde per indirizzarlo fino alla rectenna. I relè – dal francese relais, “staffetta” – sono generalmente utilizzati per regolare gli impianti elettrici sulla base di alcune variazioni nei circuiti. Un sistema a relè, per capirci, è quello che di solito permette di accendere una stessa luce azionando pulsanti posti in posizioni diverse della casa. Nel sistema di Emrod i relè funzionano come “lenti” necessarie a rifocalizzare il fascio di microonde con minime perdite nella trasmissione. Se necessario possono anche reindirizzarlo, e questo significa che trasmettitore e ricevitore non devono necessariamente trovarsi in linea di vista l’uno con l’altro.

Esistono dei rischi, rispetto all’utilizzo di questa tecnologia sperimentale di trasferimento di energia senza fili. Secondo quanto dichiarato dall’azienda, una breve esposizione accidentale ai fasci di microonde, considerata la densità di energia relativamente bassa, non dovrebbe causare danni né alle persone né agli animali. Ma per evitare la possibilità di incidenti Emrod ha comunque sviluppato una copertura dei raggi tramite apposite “tende laser” disposte lungo il circuito. Dovrebbero rilevare l’eventuale interposizione di uccelli o elicotteri a bassa quota e interrompere provvisoriamente e all’istante la trasmissione delle microonde. L’energia sarebbe fornita anche durante l’interruzione grazie alle batterie di accumulo poste all’estremità ricevente.