نظام نقل طاقة لاسلكي بعيد المدى عالي الكفاءة يعتمد على موجات ملليمترية باستخدام موصل فائق من نحاس/كوبالت

الطاقة عبر الهواء

تخيل شحن هاتفك أو طائرتك المسيرة أو حتى قمر صناعي دون الحاجة إلى توصيل سلك. يعد نقل الطاقة اللاسلكي بتحقيق ذلك بالضبط، عبر إرسال الطاقة في الهواء بدلاً من مسارات النحاس. لكن روابط الطاقة اللاسلكية الحالية لمسافات بعيدة تكون ضخمة وتضيع معظم الطاقة في الطريق. تستكشف هذه الورقة نوعًا جديدًا من الأسلاك المعدنية فائقة النحافة التي تجعل نقل الطاقة اللاسلكية في المجال البعيد أكثر كفاءة بكثير، مما قد يصغّر معدات إرسال الطاقة المستقبلية للأجهزة المحمولة والأنظمة الفضائية.

لماذا نقل الطاقة لمسافات طويلة صعب

تعتمد معظم شواحن اللاسلكي التجارية اليوم على الاقتران المغناطيسي قصير المدى: يجب أن تكون الملفّات قريبة جدًا من بعضها البعض. عند المسافات الأكبر، يستخدم المهندسون بدلاً من ذلك هوائيات تشع الطاقة كموجات راديوية ثم تلتقطها هوائي مستقبل ومقوم يحول تلك الموجات إلى تيار مستمر. يمكن لهذا الأسلوب «بعيد المجال» أن يغطي أمتارًا أو حتى كيلومترات، لكن الأنظمة الحالية تحول نسبة قليلة فقط من القدرة المرسلة إلى كهرباء قابلة للاستخدام. إحدى المشكلات هي أن الهوائيات تصبح كبيرة ماديًا عند الترددات الراديوية المنخفضة نسبيًا المستخدمة غالبًا. ومشكلة أخرى، أكثر دقة، تظهر عند ترددات أعلى بكثير «ملليمترية» حيث تصبح الحزم الصغيرة والمركزة ممكنة: هنا تُفقد الطاقة داخل خطوط التغذية المعدنية وتركيبات الهوائيات نفسها.

نوع جديد من المعدن للطاقة عالية التردد

تنبع هذه الخسائر الداخلية من «تأثير الجلد»: عند الترددات العالية يتكدس التيار الكهربائي في طبقة رقيقة جدًا على سطح الموصل العادي مثل النحاس، مما يزيد المقاومة بشكل حاد. لمواجهة ذلك، يبني المؤلفون على فكرة «الموصل الفائق» (metaconductor)، وهو تكديس مصمم بعناية من طبقات معدنية مغناطيسية وغير مغناطيسية فائقة الرقة. في تصميمهم، تُترسب طبقات متكررة من النحاس والكوبالت — كل منها بسماكات تتراوح من عشرات إلى مئات النانومترات — على ركيزة زجاجية منخفضة الخسارة. يتم ضبط السلوك المغناطيسي للكوبالت والطبقة غير المغناطيسية من النحاس بحيث تُلغي التيارات الدوامية بعضها بعضًا. في الجوهر، يمكن للتيار أن يتدفق عبر كامل سمك التكديس بدلاً من أن يُحشر في الجلد الخارجي، مما يخفض المقاومة عند ترددات الموجات الملليمترية.

بناء وصلة نقل طاقة لاسلكية كاملة

اختبر الباحثون هذا المفهوم في نظام نقل طاقة لاسلكي كامل يعمل عند 28 جيجاهرتز، نطاق ترددي مماثل لذلك المستخدم في شبكات الجيل الخامس. صمموا هوائيات مصفوفية من نوع باتش مدمجة 4×4 لكل من المرسل والمستقبل، إلى جانب شبكات تغذية معدنية توزع الطاقة على كل باتش. يحول دارة مقوم مبنية على صمام شوتكي سريع الإشارة الملتقطة إلى طاقة تيار مستمر. والأهم من ذلك أن جميع المسارات الرئيسية — هوائي الإرسال، هوائي الاستقبال، وروابط المقوم — صُنعت باستخدام الموصل الفائق من النحاس–الكوبالت. وللمقارنة، بنوا أيضًا نظامًا شقيقًا حيث صُنعت كل الأجزاء المعدنية من نحاس صلب عادي بنفس السماكة الكلية.

قياس التحسّن في الأداء الحقيقي

في اختبارات المختبر، قاس الفريق مدى كفاءة انتقال الطاقة من هوائي الإرسال إلى هوائي الاستقبال ومدى كفاءة المقوم في تحويل تلك الإشارة إلى طاقة تيار مستمر. عبر مسافات من 10 إلى 30 سنتيمترًا، قدمت نسخة الموصل الفائق باستمرار إشارات مستقبل أقوى من نسخة النحاس. عند 20 سنتيمترًا، قفزت الكفاءة «من الطرف للطرف» الكلية — بدءًا من طاقة تيار مستمر، وإشعاعها عبر الهواء، وانتهاءً بتيار مستمر مرة أخرى — من نحو 0.42 بالمئة بالنحاس الصلب إلى 7.5 بالمئة بطبقة النحاس–الكوبالت، أي تحسن بمقدار 17.85 مرة. كما استفاد المقوم وحده، حيث ارتفعت كفاءته من التردد إلى التيار المستمر من نحو 64 إلى 71 بالمئة عند مستوى القدرة المصمم له. وبما أن أسلاك الموصل الفائق تُهدر طاقة أقل، يمكن صنع الهوائيات أصغر مع الحفاظ على مكاسب عالية، ما يقلل المساحة والوزن بنحو 81 بالمئة مقارنة بتصميم نحاسي يقدّم أداءً مماثلًا.

ماذا يعني هذا للأجهزة المستقبلية

بالنسبة لغير المختصين، الخلاصة بسيطة: من خلال إعادة هندسة المعدن نفسه على مستوى النانو، وجد المؤلفون طريقة لتحريك التيارات الكهربائية عالية التردد بسلاسة أكبر، مهدِرِين طاقة أقل على شكل حرارة. عندما تُدمَج هذه الأسلاك المحسنة في نظام نقل طاقة لاسلكي كامل، يصل جزء أكبر بكثير من الطاقة المرسلة إلى المستقبل، حتى عبر عشرات السنتيمترات، ويمكن أن تكون الأجهزة أخف وزنًا وأكثر إحكامًا. وبينما لا يزال هذا نموذجًا أوليًا مخبريًا، تشير الموصلات النحاسية–الكوبالت الفائقة إلى إمكانات وصلات نقل طاقة لاسلكية عملية لمسافات بعيدة قد تُعيد شحن الإلكترونيات المحمولة أو شبكات المستشعرات أو حتى مكونات المركبات الفضائية يومًا ما دون كابلات ثقيلة أو هوائيات ضخمة.

الاستشهاد: Lee, W., Jang, H. & Yoon, YK. High efficiency far-field mmWave-based wireless power transfer system using Cu/Co metaconductor. Sci Rep 16, 12340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42136-4

الكلمات المفتاحية: نقل الطاقة اللاسلكي, موجات ملليمترية, موصل فائق, طبقات متعددة من النحاس والكوبالت, ريكتينا