מערכת שידור כוח אלחוטית בתחום הגלים המילימטריים בעלת יעילות גבוהה בשדה רחוק באמצעות מטה‑מוליך Cu/Co

העברת כוח דרך האוויר

דמיינו טעינת הטלפון, הרחפן או אפילו לוויין ללא חיבור לשקע. העברת כוח אלחוטית מבטיחה בדיוק זאת — שידור אנרגיה דרך האוויר במקום בכבל נחושת. אבל הקישורים של היום להעברת כוח למרחקים ארוכים הם מקוטבים ובזבזניים ברוב האנרגיה בדרכם. מאמר זה חוקר סוג חדש של חוטי מתכת דקיקים ביותר שמייעלים משמעותית העברת כוח בשדה רחוק, ויכולים לכווץ את החומרה לשידור כוח עתידי למכשירים ניידים ומערכות חלל.

מדוע העברה אלחוטית למרחקים ארוכים קשה

מרבית המטענים האלחוטיים המסחריים כיום מסתמכים על כיווץ מגנטי לטווח קצר: שתי סלילים צריכים לשכב כמעט אחד על גבי השני. במרחקים גדולים יותר מהנדסים משתמשים באנטנות שפולטות אנרגיה כגלי רדיו ואז לוכדות אותה חזרה עם אנטנת מקלט ומייצב (רקטיפייר) שממיר את הגלים לזרם ישר. גישה “שדה רחוק” זו יכולה לכסות מטרים ואפילו קילומטרים, אך מערכות עכשוויות ממירות רק אחוזים בודדים מההספק המשודר לחשמל שימושי. בעיה אחת היא שבתדרי רדיו יחסית נמוכים שבהם משתמשים לעתים קרובות, האנטנות הופכות לגדולות פיזית. בעיה עדינה יותר מופיעה בתדרי גלים מילימטריים גבוהים יותר, שבהם אפשר ליצור קרניים קטנות וממוקדות: כאן, אנרגיה אובדת בתוך קווי האספקה ובמבני האנטנה עצמם.

סוג מתכת חדש להספק תדר‑גבוה

ההפסדים הפנימיים נובעים מתופעת "אפקט העור": בתדרים גבוהים הזרם החשמלי מתרכז בשכבה דקה מאוד על פני משטח מוליך רגיל כמו נחושת, מה שמעלה בחדות את ההתנגדות. כדי להתמודד עם זה, הכותבים בונים על הרעיון של "מטה‑מוליך" — מטען מהונדס של שכבות דקיקות מאוד של מתכות מגנטיות ולא‑מגנטיות. בעיצוב שלהם מונחות שכבות חוזרות של נחושת וקובלט — כל אחת בעובי של עשרות עד מאות ננומטרים — על מצע זכוכית בעל אובדן נמוך. ההתנהגות המגנטית של הקובלט והשכבה הלא‑מגנטית של הנחושת מכויילות כך שסירי זרמי אדד (eddy currents) מבטלים זו את זו. בפועל הזרם יכול לזרום לאורך כל עובי הערימה במקום להצטמצם לעור החיצוני, מה שמפחית את ההתנגדות בתדרי גלים מילימטריים.

בניית קישור העברת כוח שלם

החוקרים בחנו את הרעיון במערכת העברת כוח אלחוטית שלמה הפועלת ב‑28 גיגה‑הרץ, תחום תדרים דומה לזה שנחקר עבור רשתות 5G. הם תכננו אנטנות מערך פאץ' קומפקטיות 4×4 גם לשידור וגם לקבלה, יחד עם רשתות ההזנה המתכתיות שמפזרות את ההספק לכל פאץ'. מעגל רקטיפיקציה המבוסס על דיודה שרטקי מהירה (Schottky) ממיר את האות הנקלט לזרם ישר. באופן קריטי כל הנתיבים המרכזיים — אנטנת השידור, אנטנת הקליטה והקישורים לרקטיפייר — יוצרו באמצעות המטה‑מוליך נחושת–קובלט. להשוואה הם גם בנו מערכת תאומה שבה כל חלקי המתכת היו מנחושת מוצקה רגילה בעובי כולל זהה.

מדידת השיפור בביצועים במציאות

בניסויים במעבדה הצוות מדד עד כמה אנרגיה עברה מהאנטנה המשדרת לאנטנת המקלט ועד כמה הרקטיפייר המיר את האות לזרם ישר. בטווחי מרחק של 10–30 סנטימטר, גרסת המטה‑מוליך סיפקה באופן עקבי אותות נקלטים חזקים יותר מאשר גרסת הנחושת. במרחק של 20 סנטימטר היעילות הכוללת "קצה‑לקצה" — מהמוטד‑ה־DC, פליטה דרך האוויר וחזרה לכדי DC — קפצה מכ־0.42 אחוז בנחושת המוצקת ל‑7.5 אחוז בערימת נחושת–קובלט, שיפור פי 17.85. גם הרקטיפייר בלבד הרוויח, עם יעילות המרה מ‑RF ל‑DC שעלה מכ‑כ‑64 לכ‑71 אחוז ברמת ההספק התכנונית. מכיוון שחוטי המטה‑מוליך מבזבזים פחות אנרגיה, אפשר לייצר אנטנות קטנות יותר תוך שמירה על רווח גבוה, מה שמקטין את השטח והמשקל בכ‑81 אחוז בערך בהשוואה לעיצוב נחושת בעל ביצועים דומים.

מה זה יכול להביא למכשירים עתידיים

ללא מומחיות מיוחדת, המסקנה פשוטה: על‑ידי הנדסת המתכת עצמה בקנה‑מידה ננוסקופי, המחברים מצאו דרך להזיז זרמי חשמל בתדר גבוה בצורה חלקה יותר ולבזבז פחות אנרגיה בחום. כאשר חיווט משופר זה משולב במערכת העברת כוח אלחוטית שלמה, חלק גדול יותר מהאנרגיה המשודרת מגיע לנמען, אפילו על מרחקים של עשרות סנטימטרים, והחומרה יכולה להיות קלה וצפופה יותר. למרות שמדובר עדיין באב־טיפוס מעבדתי, מטה‑מוליכי נחושת–קובלט מצביעים לכיוונים מעשיים לקישורים להטלת כוח למרחק שיכולים יום אחד להטעין מכשירים ניידים, רשתות חיישנים ואפילו ציוד חללי ללא כבלי משקל כבדים או אנטנות מופרזות במימדיהן.

ציטוט: 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

מילות מפתח: העברת כוח אלחוטית, גלים מילימטריים, מטה‑מוליך, שכבות נחושת‑קובלט רב‑שכבתיות, רקטנה