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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 16 n. 3 - Dicembre 2007 17

Onde evanescenti etrasmissione di energia senza fili

VALTER BELLA Nell’ambito delle telecomunicazioni, dell’informatica e dell’intrattenimento assi-stiamo oggi ad una crescita vertiginosa di dispositivi portatili. Sicuramente que-sti hanno contribuito a semplificare molti aspetti della nostra quotidianità, maper contro, la presenza al loro interno delle batterie ha posto nuovi problemiquali la ricarica, la sostituzione e lo smaltimento delle medesime. Ovviare allapresenza delle batterie non è semplice e le strade percorribili sono sostanzial-mente due: l’energy scavenging, ossia il tradurre in energia elettrica altre formedi energia presenti nell’ambiente circostante, e la trasmissione di energia senzafili. L’articolo affronta quest’ultima tecnologia, basata sulle onde evanescenti esui circuiti risonanti accoppiati. A valle di un’esposizione concettuale di questosistema sono descritti i due relativi dimostratori, realizzati nel MIT e in TILab.Entrambi gli esperimenti hanno dimostrato un trasferimento energetico adistanze dell’ordine del paio di metri, con un’efficienza compresa tra il 15% edil 40%. Il prototipo TILab ha dimostrato inoltre che il trasferimento energetico èperturbato in modo minimo anche quando tra l’elemento emittente e quelloricevente sono interposti oggetti, anche metallici, conferendo così al sistemanotevole flessibilità operativa per sue eventuali future applicazioni. Già ora unaricaduta applicativa è possibile per quanto concerne la ricarica senza fili ditelefonini, notebook ed altri dispositivi multimediali. Infatti, una soluzione moltosemplificata del dimostratore prevede un’integrazione del loop emittente inqualunque superficie (tavoletta, scrivania od altri supporti ergonomici) renden-do così possibile un’efficientissima ricarica di qualunque dispositivo portatilesemplicemente appoggiandolo su di essa. Sul medio termine invece, undispositivo ad onde evanescenti potrebbe risultare impareggiabile nell’ovviareall’uso massivo delle batterie in scenari emergenti come l’Internet delle cose,con un positivo impatto in termini economici e manutentivi, ma soprattutto con-tribuendo a migliorare l’impatto ecologico, tema assai caro a Telecom Italia giàda tempo impegnata sul fronte del risparmio energetico.

1. Introduzione

La capacità di trasferire “senza fili” dati attinentiad informazioni vocali, video e testuali ha oggi rag-giunto un soddisfacente grado di maturità, concre-tizzando così il primo dei due obiettivi collegati almondo delle telecomunicazioni. Il secondo obiet-tivo è quello di far funzionare tutto ciò che è porta-tile “senza batterie”, e conseguentemente senza Irelativi caricatori. Già oggi nelle nostre abitazionied uffici cerchiamo di districarci tra grovigli di fili

dei caricatori per cellulari, dispositivi bluetooth,laptop, PDA oltre a quelli per gli MP3 player, video-camere e fotocamere digitali.

Ma l’attuale scenario non evidenzia ancoraappieno la portata di questo problema. Già nei pros-simi anni, infatti, si assisterà ad una nuova rivoluzionedenominata l’Internet delle cose, un’espressione sug-gestiva per indicare miliardi di oggetti che si autorga-nizzano in pico-reti di sensori ed attuatori WSN(Wireless Sensor Network), in grado di conferire una“fisicità” all’attuale Internet dotandola della capacità

INNOVAZIONE

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BELLA • Onde evanescenti e trasmissione di energia senza fili

18 NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 16 n. 3 - Dicembre 2007

di percepire gli stimoli provenienti dell’ambiente realecircostante e di reagire in modo appropriato ad essi.Ciascuno di questi oggetti è dotato almeno di unprocessore, una radio, un sensore, un attuatore e,ovviamente, una batteria. Questo significa che, ameno di nuove soluzioni, le batterie impiegate siconteranno a miliardi con problemi enormi da risol-vere in termini economici, ecologici e manutentivi.

Telecom Italia, da tempo impegnata sul temadel risparmio energetico nonché sulla sperimenta-zione di fonti alternative di produzione di energiaelettrica per alimentare le stazioni radio base,pone anche particolare attenzione al problemadelle batterie in quanto destinato a divenire preci-puo nei futuri servizi a valore aggiunto (VAS) basatisulle emergenti reti wireless di sensori ed attuatori.In questo contesto, presso i laboratori di ricercaTILAB sono in essere attività di scouting e realizza-zione prototipale sulle due possibili modalità alter-native alle batterie:• l’energy scavenging, ossia l’insieme di tecnolo-

gie per tradurre in energia elettrica altre entitàpresenti nell’ambiente circostante quali luce,suoni, vibrazioni, temperatura, campi elettroma-gnetici, … ;

• la trasmissione di energia senza fili, necessariaquando dell’energy scavenging non risulta suffi-ciente ed occorre perciò trasferire energia dallasorgente al dispositivo finale senza l’adozionedi conduttori elettrici.Mentre l’energy scavenging è una tematica di

ricerca piuttosto diffusa in ambito accademico epresso i laboratori di ricerca, la trasmissione dienergia senza fili è meno trattata in quanto non haraggiunto ancora una soluzione ottimale, ma pro-prio per questo essa rappresenta un tema sfidantee disruptive per le applicazioni wireless del futuro.

2. La trasmissione di energia senza fili

2.1 Un po’ di storia

Nel 1825 William Sturgeon inventò l’elettroma-gnete e grazie a questo sei anni dopo MichaelFaraday dimostrò il principio dell’induzione elettro-magnetica, ossia il fenomeno per cui la variazionedel campo magnetico in un elettromagnete induceuna corrente alternata in un avvolgimento adia-cente anche se non vi è alcun contatto elettrico.Combinando queste due scoperte, nel 1836Nicholas Joseph Callan dimostrò la trasmissione ela ricezione di energia elettrica senza fili con undispositivo che oggi è conosciuto come trasforma-tore elettrico.

Nel 1864 il matematico James Clerk Maxwell for-mulò un pacchetto di equazioni, che presero il suonome, in grado di descrivere con accuratezza lapropagazione nello spazio della radiazione elettro-magnetica e la relazione esistente tra campo elet-trico e campo magnetico. Nel 1888 Heinrich Hertzconfermò sperimentalmente le equazioni di Maxwellcon un generatore di onde elettromagnetiche rileva-bili a distanza. Ciò permise qualche anno dopo a

Guglielmo Marconi di evolvere l’apparato di Hertzrealizzando la prima trasmissione radio a distanza.

Ma quando si conduce una ricerca bibliograficasul tema della trasmissione di energia senza fili sifinisce sistematicamente, e doverosamente, colritrovare il grande fisico, inventore ed ingegnereserbo Nikola Tesla, nato a Smiljan nel 1856. Tesla èconosciuto soprattutto per il suo rivoluzionariolavoro e i suoi numerosi contributi nel campo dell’e-lettromagnetismo tra la fine dell’Ottocento e gli inizidel Novecento. Tra le sue molteplici creazioni vi èanche la bobina di Tesla (figura 1A), un trasforma-tore risonante con avvolgimenti sintonizzati in ariaper produrre altissime tensioni ad alta frequenza.

Egli realizzò diverse versioni di queste bobine,sempre più potenti, sino alla costruzione della

Wanderclyffe Tower (figura 1B) avvenuta nel 1903,una torre al ta 60 metr i sul le scogl iere diWanderclyffe, Long Island, New York e contenenteun’enorme bobina per la trasmissione di energiasenza fili a chilometri di distanza. Purtroppo ilgeniale scienziato non era un buon manager di sestesso e vari conflitti con i suoi finanziatori lo por-tarono allo smantellamento della torre ed alla suc-cessiva morte in povertà.

Dopo le esperienze di Tesla, l’uso delle ondeelettromagnetiche si indirizzò prevalentemente allatrasmissione dell’informazione, grazie anche adinvenzioni straordinarie per la comunicazione dimassa quali la radio e la televisione. Tuttavia, seb-bene in forma più contenuta, nei decenni succes-sivi furono sperimentate varie tecniche di trasmis-sione di energia wireless, anche con risultati dirilievo, ma sempre con qualche controindicazione,talvolta di carattere economico, altre volte didipendenza da fenomeni fisici naturali, come espo-sto nel prossimo paragrafo.

2.2 Gli approcci odierni

Il parametro di maggior criticità nel trasferi-mento di energia senza fili è indubbiamente l’effi-cienza. Essa è definita come il rapporto tra lapotenza che raggiunge l’unità ricevente e quellaemessa dall’unità trasmittente.

Tra il 1960 e 1970 furono sperimentate tecnolo-

FIGURA 1› A) Bobina di Tesla;

B) foto d’archivio della torre di Wanderclyffe.

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gie per il trasferimento di energia ad alta efficienzae potenza, anche su lunghe distanze, tra-mite sistemi a fasci di microonde che incondizioni favorevoli raggiungono un’effi-cienza del 90%. Per contro trasmettitoree ricevitore devono essere in visibilitàottica senza ostacoli interposti ed i lsistema richiede antenne ad alto gua-dagno e quindi di dimensioni ingom-branti (figura 2). Infine il sistema deveessere ubicato in zone rurali scarsa-mente abitate per ovviare a possibilieffetti sulla popolazione in termini diimpatto biologico.

Un’altra tecnologia efficiente per iltrasferimento energetico senza fi l i ècostituita da un trasmettitore laser ed unricevitore costituito da pannelli fotovol-taici ottimizzati per offrire la massimaresa sulla lunghezza d’onda del laser. Atal proposito, nel 2003 la NASA ha con-cretizzato questa tecnologia facendovolare un modello di aereo (figura 3) sucui era puntato un raggio laser : lareplica in scala reale di questo esperi-

mento, con fascio laser emesso da satelliti, con-ferirebbe al velivolo un’autonomia di volo pratica-mente illimitata.

Il maggior inconveniente di questo approccio,oltre al requisito che trasmettitore e ricevitoredevono essere in visibilità ottica, è rappresentatodall’attenuazione del fascio laser per assorbimentoin caso di nuvole o nebbia.

Esiste poi un progetto, ad oggi non ancora con-cretizzatosi per ragioni economiche, denominatoSPS ossia una rete di satelliti disposti in modo daraccogliere in modo continuativo sulle 24 ore laluce solare trasformandola in un potente fascio amicroonde da indirizzare verso stazioni riceventi aterra (figura 4); in altre parole si avrebbe un’energiacontinuativa, rinnovabile con zero emissioni.

Sicuramente, ad oggi, la trasmissionedi energia via cavo è molto più efficientedi quella wireless, soprattutto sulle lun-ghe distanze in quanto l’ottima conduci-bilità elettrica del rame introduce basseperdite energetiche lungo il cammino.Per tutte queste ragioni esposte, finoral’unico trasferimento energetico wirelessche ha trovato ampia diffusione è quellodestinato ad applicazioni richiedentidistanze molto brevi e potenze moltocontenute, quale la passive RFID (RadioFrequency IDentification), una tecnologiaper l ’ ident i f icazione automatica dioggetti, animali o persone.

Il sistema passive RFID si basa sullalettura, a distanza di pochi centimetri, diinformazioni contenute in un’etichettaelettronica priva di batteria ed alimentatadal campo elettromagnetico generato daun opportuno lettore.

In questo scenario rimaneva però undominio spaziale ed energetico inesplo-rato, ossia quello relativo alla trasmis-

FIGURA 2› L’energia a microonde ricevuta viene convertita in corrente

continua da una rectenna (da rectifier e antenna).

FIGURA 3› Modello di aereo realizzato dalla NASA funzionante tramite energia trasmessa

da un fascio laser.

FIGURA 4› Schema concettuale del progetto SPS (Solar Power Satellite).

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sione di energia wireless nel raggio dipochi metri con potenze dell’ordine delladecina di watt. Improvvisamente l’inte-resse per questo dominio è tornato vivoper l’esigenza di alimentare senza batte-rie miliardi di dispositivi wireless a bassoconsumo. Dopo varie esplorazioni teori-che e simulazioni funzionali condotte alivello mondiale presso importanti ateneie rinomati centri di ricerca tra i qualiTILab, un approccio è parso concreta-mente percorribile: quello delle onde eva-nescenti.

3. Le onde evanescenti

3.1 Definizione

Prima di proseguire nella trattazionesul tema occorre fornire una spiegazionesulla natura delle onde evanescenti, cercando dievitare un prolisso formalismo matematico, per ilquale si rimanda alle ben note soluzioni delleequazioni di Maxwell presenti in letteratura. Leequazioni di Maxwell descrivono le relazioni tracampo elettrico e campo magnetico e tra caricaelettrica e corrente elettrica. Da queste equazionisi evince che la radiazione emessa da un’antennaè spazialmente suddivisa in tre regioni: campovicino non radiativo, campo vicino radiativo ecampo lontano radiativo. Le onde evanescentisono le onde presenti nell’immediata vicinanzadell’antenna, ossia nel campo vicino non radiativo,e la loro energia viene emessa, e quasi totalmenteriassorbita, in modo ciclico. Queste onde vengonodette evanescenti perché gli effetti della loro pre-senza decadono in modo esponenziale con l’allon-tanarsi dall’antenna e già dopo una distanza pari acirca un terzo della loro lunghezza esse non sonopiù rilevabili.

Il modo più intuitivo ed immediato per osser-vare le onde evanescenti è quello di dirigere unraggio luminoso con una certa angolazione su unasuperficie di separazione tra due mezzi, ad esem-pio aria ed acqua, aventi diverso indice di rifra-zione (figura 5). Tipicamente, una componente delraggio luminoso incidente viene riflesso indietromentre l’altra penetra nel secondo mezzo cam-biando l’angolo d’incidenza. Questo è il motivo percui se osserviamo un cucchiaino immerso in unbicchiere contenente acqua esso ci appare “spez-zato”. Il fenomeno della rifrazione però si manifestasolo fino ad un certo angolo di incidenza del raggioluminoso, detto angolo critico, oltre il quale lariflessione diviene totale ed il raggio luminoso nonpenetra più nel secondo mezzo. Quando si verificala riflessione totale, nel secondo mezzo tuttavia siha un’onda trasmessa che si propaga lungo lasuperficie di separazione, mentre si attenua inmodo esponenziale nella direzione normale allasuperficie stessa: essa è un’onda evanescente.

Ma perché l ’onda evanescente esiste?Fisicamente l’insorgere di un’onda evanescente

può essere spiegata in modo relativamente sem-plice. Un fascio di luce incidente ha una velocità difase che è funzione dell’indice di rifrazione dei duemezzi coinvolti. Supponiamo che il primo mezzoabbia un indice di r i f razione più elevato delsecondo: la velocità di fase nel primo mezzo risultaminore dell’analoga quantità nel secondo mezzo.Nella regione di interfaccia, per rispettare la conti-nuità delle componenti magnetica ed elettrica delcampo, le onde che si propagano nei due mezzidevono muoversi con la stessa velocità nella dire-zione dell’asse superficiale. Ne consegue che, conl’aumentare dell’angolo incidente del raggio lumi-noso sino a raggiungere l’angolo critico, l’ondapresente nel secondo mezzo deve dunque rallen-tare per mantenersi in fase con la prima, fino a tra-sformarsi in un’onda lenta superf ic ia le conampiezza che decresce esponenzialmente, ossiaun’onda evanescente.

3.2 I vantaggi dell’accoppiamento tra risonatori ad ondeevanescenti

Per accoppiamento tra risonatori si intende ilprocesso per cui un’onda evanescente viene tra-smessa da un mezzo all’altro per mezzo di uncampo elettromagnetico non radiativo. Il vantaggioprecipuo di effettuare un accoppiamento tra riso-natori ad onde evanescenti sta nel fatto che se nonvi è un mezzo ricevente risonante alla stessa fre-quenza, gran parte di quest’energia non radiativarimane confinata alla sorgente (figura 6A), senzapropagarsi e dissiparsi inutilmente.

Un altro grande vantaggio offerto dall’accoppia-mento tra due o più risonatori sta nel fatto che senell’ambiente circostante esistono altri apparati confrequenza di risonanza differente lo scambio ener-getico con quest’ultimi è minimo, il che significaanche ridurre al minimo il rischio di interferenze.

In ultimo, ma non per importanza, essendo l’ac-coppiamento tra i risonatori prevalentemente domi-nato dal campo magnetico, il trasferimento energe-tico tra apparato sorgente e ricevitore rimane effi-

FIGURA 5› Le onde evanescenti emergono contestualmente al fenomeno della

riflessione totale.

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ciente anche quando vi si trovano inter-posti sul cammino oggetti di varia natura(figura 6B), anche metallici ma non ferro-magnetici, come rame ed alluminio inquanto la componente elettr ica delcampo non partecipa alla propagazione.

3.3 Generare le onde evanescenti

Il concetto fisico di onde evanescentitrova conferma in esperimenti effettuatinei domini dell’acustica, dell’ottica edelle onde radio. Proprio in quest’ultimodominio ci si orienta al fine di effettuaretrasferimenti energetici con un raggiod’azione dell’ordine dei metri. In prece-denza si è visto che il raggio d’azionedelle onde evanescenti è di circa un terzodel la loro lunghezza d’onda, perciòdiventa relativamente semplice determi-nare la frequenza cui il sistema dovràoperare in quanto quest’ultima è data dalrapporto tra la velocità della luce e la lun-ghezza d’onda prescelta. Requisito fon-damentale nell’utilizzo delle onde evane-scenti è quello di costruire struttureemissive in grado di esaltare la compo-nente magnetica del campo a radiofrequenzagenerato cercando di sopprimere e schermare perquanto possibile la componente elettrica, la cuipresenza nel campo lontano radiativo generasegnali interferenti indesiderati. Nel capitoloseguente è illustrato l’approccio concettuale per larealizzazione di un prototipo per il trasferimentoenergetico senza fili.

4. Architettura di un sistema di trasferimentoenergetico ad onde evanescenti

Lo schema concettuale dell’architettura adot-tata per il trasferimento energetico tramite ondeevanescenti è illustrata in figura 7. Un generatore aradiofrequenza applica un segnale con frequenzadell’ordine dei megahertz ad un risonatore ad altofattore di merito, cuore del sistema, progettato inmodo da emettere principalmente la componentemagnetica del campo e di sopprimere la compo-nente elettrica, tipicamente presente nella propa-gazione del campo lontano. Le onde evanescentiemesse trasferiscono la loro energia ad un analogo

risonatore posto ad una distanza di qualche metro.Se la tensione presente in arrivo non è sufficiente-mente elevata, questa può essere moltiplicata,senza l’ausilio di elettronica alimentata, tramite uncircuito di Cockcroft-Walton. Nei paragrafi cheseguono sono analizzati i singoli blocchi costituentil’intero sistema.

4.1 Il loop magnetico risonante

Quando un circuito con induttanza (L) e capa-cità (C) collegate in parallelo (figura 8A) viene ecci-tato da un’energia esterna, a radiofrequenza, l’e-nergia elettromagnetica percorre l’induttore L ed ilcondensatore C ed assume alternativamente laforma di un campo magnetico (durante la fase dicorrente nell’induttanza) e di un campo elettrico(durante la fase di tensione al condensatore).

Nelle immediate vicinanze del circuito (campovicino) c’è un campo d’induzione elettromagneticache decresce secondo il cubo della distanza. Untale circuito però non crea un significativo campodi radiazione, tuttavia se si modifica la strutturadel condensatore aumentando la distanza fra le

sue armature e si stira l’ induttore inmaniera che le due componenti del cir-cuito occupino uno spazio massimo, ilprodotto LC rimane inalterato ed il cir-cuito è in grado di produrre una radia-zione elettromagnetica in grado di pro-pagarsi nello spazio (campo lontano). Unsi ffat to c i rcui to prende i l nome di“antenna”. Ma dov’è finita la capacitàche avevamo nel circuito? Si è ripartitaper tutta la lunghezza dell’induttanza,che è stata stirata sino ad assumere laforma di un filo (figura 8B).

FIGURA 6› A) L’energia del campo evanescente rimane nell’intorno della sorgente;

B) Il trasferimento energetico continua anche con schermi interposti sul cammino.

FIGURA 7› Schema a blocchi di un sistema per la trasmissione di energia in

campo evanescente

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L’obiettivo in oggetto è però quello di realizzareun loop con un campo elettrico di prossimitàquanto più debole possibile e ciò è possibile con-centrando la capacità del circuito in un condensa-tore, invece che ripartirla per tutta la lunghezza delfilo irradiante. È per questa ragione che in fase pro-gettuale si sceglie un loop composto da un’unicaspira (figura 8C), dove il campo elettrico si concen-tra quasi esclusivamente nel condensatore, mentrequello magnetico si sviluppa su una superficie suf-ficiente a consentire l’emissione del campo vicino.La direzione di emissione principale del loopmagnetico è radiale nel piano della spira (figura8D), mentre nelle due direzioni perpendicolari chetagliano tale piano, la radiazione è minima.

Tuttavia non è sufficiente confinare il campoelettrico tra le armature del condensatore per mas-simizzare la componente magnetica del campoemanata, ma occorre operare un distinguo tra iloop in elettricamente piccoli e grandi.

Un loop si definisce elettricamente piccoloquando la lunghezza del cavo che lo avvolgelungo il suo perimetro è molto minore della lun-ghezza d’onda applicata. Vari autori utilizzanodiverse lunghezze di riferi-mento per definire un loopelet t r icamente p iccolo.Conformemente ai manualidella marina americana dellaseconda guerra mondiale,un loop è da considerarsipiccolo se la lunghezzacomplessiva del filo è defi-nita come minore di 0,22volte la lunghezza d’onda.L’ARRL Antenna Book defi-nisce il loop piccolo se si hauna lunghezza complessivadi 0,085 volte la lunghezzad’onda.

I loop elettricamente pic-coli e grandi differiscononella distribuzione della cor-rente all’ interno del cavocon il quale sono costituiti.Nei loop elettricamente pic-coli la corrente che vi scorre

all’interno è uniforme in tutte le porzionidel cavo, mentre nei loop elettricamentegrandi la corrente varia lungo la lun-ghezza del conduttore. Inoltre, i looppiccoli differiscono da quelli grandi dalmodo in cui reagiscono ai segnali radio.Un segnale radio è un’onda elettroma-gnetica trasversale, o TEM (TransverseElectromagnetic Mode), in cui il campoelettrico e quello magnetico sono sem-pre perpendicolari fra loro ed il piano nelquale giacciono è sempre ortogonalealla direzione di propagazione (figura 9).I loop grandi rispondono fondamental-mente alla componente elettrica del-l’onda TEM, mentre i loop piccoli rispon-dono principalmente alla componente

magnetica ossia si comportano come la spira diun induttore.

Perché la forma del loop è tipicamente circo-lare, sebbene talvolta sono osservabili altre formegeometriche più facili da realizzare? Il motivo èsemplice. Per quanto visto in precedenza, il peri-metro del loop deve essere molto piccolo rispettoalla lunghezza d’onda del segnale a radiofre-quenza applicato, ma contestualmente è auspica-bile un’area grande per un’efficiente emissionedel campo. La geometria insegna che, per unalinea di una data lunghezza posta in modo da cir-coscrivere una certa area, la forma circolare èquella che presenta la maggiore superficie equindi, in questo particolare contesto, il loop cir-colare è quello che meglio coniuga i suddettirequisiti tra loro contrastanti.

Infine il loop emittente e quello ricevente deb-bono possedere un fattore di merito, per conven-zione indicato con Q, estremamente elevato inquanto l’efficienza di scambio energetico tra imedesimi è proporzionale al prodotto dei rispettiviQ. In sostanza per un efficiente trasferimento ener-getico è richiesto che: Qemittente x Qricevente >106.

FIGURA 8› A) Circuito risonante LC; B) filo stirato; C) loop a singola spira;

D) direzione di emissione del loop magnetico.

FIGURA 9› Generazione e propagazione di un campo elettromagnetico trasversale (TEM).

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4.2 Moltiplicatore di Cockcroft-Walton

Mediante la ripetizione di cellein cascata, costituite da diodi econdensator i opportunamenteconnessi, il circuito di Cockcroft-Walton (figura 10) consente di mol-tiplicare una tensione alternatapresente al proprio ingresso con-vertendola in tensione continua. Inquesto modo si realizzano circuitiduplicatori, triplicatori, ecc. di ten-sione, spesso util izzati in moltidispositivi elettronici, il più noto dei quali è il molti-plicatore di tensione presente nello stadio AT ditutti i televisori.

Sostanzialmente in una semionda del segnaled’ingresso tutte le capacità presenti vengono acaricarsi parallelamente al valore della tensioneapplicata, mentre nella semionda successiva essesi trovano connesse in serie, offrendo in uscita lasomma delle rispettive tensioni accumulate. Perottenere un ampio intervallo del punto di lavoro,esso deve essere dimensionato in modo da otte-nere l’efficienza di potenza ottimale, riuscendo aconseguire il massimo trasferimento di potenza dalloop ricevente al moltiplicatore di tensione.

A questo proposito, in fase di dimensionamentodel valore dei componenti è importante riuscire acreare una rete di adattamento tra loop ricevente emoltiplicatore di tensione, in modo da non crearedisadattamenti d’impedenza che potrebbero inficiareil corretto funzionamento e la resa dell’intero sistema.

5. Prototipi ad onde evanescenti

Nel secondo semestre del 2006, presso il MIT eil TILAB, la parte teorica e simulativa necessariaalla realizzazione di un prototipo si poteva ritenereconclusa. In questa fase vi è stato un carteggioelettronico tra l’autore del presente articolo eAristeidis Karalis, membro del team di progettoMIT diretto dal prof. Marin Soljacic, in merito allerispettive impressioni sulle modalità di costruzionee le potenze da porre in gioco.

Nel giugno 2007 il team di Soljacic annunciòalla comunità scientifica mondiale la riuscita dell’e-sperimento per il trasferimento di energia senza fili,subito ribattezzato WiTricity, intuitiva contrazionedei termini inglesi “Wireless” e “Electricity”. Tremesi dopo il prototipo realizzato in TILab entravafelicemente in funzione, ovviando ad alcuni incon-venienti della versione MIT.

5.1 Il prototipo di WiTricity del MIT

Come illustrato nella foto 1, il WiTricity realizzatodal MIT è costituito da un trasmettitore valvolarebasato su un oscillatore Colpitts che eroga 400 watt.I loop risonanti sono entrambi costituiti da cinquespire circolari del diametro di 60 centimetri spaziatein modo da autorisonare alla frequenza del trasmetti-tore. Un accoppiamento induttivo formato da una

spira trasferisce questa potenza sul loop risonanteemittente, e siccome questo trasferimento ha unaresa di circa il 37% ne consegue che la potenzaemessa dal loop risonante è di 150 watt.

Il prototipo MIT è in grado di accendere unalampadina da 60 watt alla distanza di due metri,dopodiché il campo, proprio perché evanescente sismorza rapidamente. In merito all’efficienza delsistema vi è una guerra dei numeri, in quanto ilgruppo autore del prototipo dichiara una resa del40%, ottenuta come rapporto tra i 150 watt emessidal loop emittente ed i 60 watt necessari all’accen-sione della lampadina, mentre i detrattori dell’e-sperimento sostengono che la resa è solo del 15%,computata come rapporto tra i 400 watt emessi daltrasmettitore ed i 60 watt del carico finale costi-tuito dalla lampadina.

Nonostante il successo dell’impresa ed il meritatoeco mediatico nella comunità scientifica, il prototipodel MIT è ancora molto “concettuale”, in quantopeso e dimensioni lo rendono tutt’altro che “porta-bile”, i loop sono molto grandi e profondi e la lorotaratura per ottenere la risonanza avviene manual-mente, stringendo ed allargando le spire costituenti imedesimi, con tempi di sintonia lunghissimi.

Proprio osservando i punti deboli di questo pro-totipo, e cercando di ovviarli, è stato realizzato ilprototipo TILab.

5.2 Il prototipo di TILAB

Il prototipo realizzato in TILab si colloca sindalla fase progettuale su un’altra scala di potenze

Fase

NeutroCella 1 Cella 2 Cella nCella 5Cella 4Cella 3

+ Vx

2

+ Vx

4

+ Vx

6

+ Vx

8

+ Vx

10

+ Vx

2n

INGRESSO

USCITA

FIGURA 10› Circuito di Cockcroft-Walton per la moltiplicazione della tensione d’ingresso.

FOTO 1› Il prototipo MIT per la trasformazione di energia in

campo evanescente.

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e dimensioni, pur mantenendo l’efficienza dell’o-mologo d’oltre oceano. Esso è stato infatti conce-pito per trasmettere potenze dell’ordine del watt, inquanto esse sono più che sufficienti per alimentarenodi di reti di sensori senza fili (WSN) oppure ali-mentare e/o ricaricare terminali mobili.

Le specifiche, pianificate e conseguite, deldimostratore di TILab prevedevano un sistema cherisultasse:• compatto e leggero, ossia portabile;• in grado di operare con continuità in un range di

frequenze comprese tra 3 e 30 MHz senzavariare i loop;

• in grado di accettare potenze di pilotaggio finoa 100 watt;

• dotato di un trasmettitore quarzato, allo statosolido e di ridotte dimensioni;

• costituito da loop emittente e ricevente con dia-metro dimezzato rispetto a quello del MIT;

• costituito da loop a singola spira e quindi senzaprofondità e senza necessità di sostegno;

• libero da tediosi ed iterati procedimenti di alli-neamento manuale dei loop;

• dotato di un’unica manopola di accordo tramiteun condensatore variabile.Vediamo ora com’è costituito il dimostratore

TILab. Con riferimento alla foto 2, un trasmettitorequarzato fornisce un segnale a radiofrequenza chealimenta un cavo coassiale a 50 Ω richiuso a loopall’altro suo estremo. Questo piccolo loop, geome-tr icamente dimensionato in modo da avereanch’esso un impedenza di 50 Ω è di fatto unaccoppiatore induttivo di Faraday, ossia esso con-sente il trasferimento della componente magneticadel campo, mentre quella elettrica è schermatadalla calza metallica del cavo stesso. Detta com-ponente magnetica è trasferita al loop emittente

che deve entrare in risonanza con la frequenzaricevuta.

A distanza di circa un paio di metri un loop rice-vente deve risuonare esattamente alla stessa fre-quenza di quello emittente. A causa dell’elevatofattore di merito dei due loop si crea una forte riso-nanza magnetica che consente un trasferimentoenergetico di circa un milione di volte più intensorispetto a quello dovuto dalla libera propagazionedella componente magnetica del campo vicino,che, com’è noto in letteratura, decresce col cubodella distanza.

L’energia raccolta dal loop ricevente è poi nuo-vamente trasferita per induzione magnetica su unloop secondario a bassa impedenza, in grado diaccendere una lampadina o alimentare qualchedispositivo portatile. È interessante osservare chein tutta la filiera di questo sistema per il trasferi-mento energetico senza fili non c’è mai contattoelettrico tra i vari componenti costituenti, ma iltutto avviene sempre per induzione magnetica.

Infine, se siinterpone tra i loopun ostacolo di con-sistenti dimensioni,anche metall ico,come i l lustratonella foto 3, l’ener-gia del campomagnetico evane-scente trasmessoarriva ancora adestinazione, man-tenendo accesa lalampadina. Questoaspetto, oltre chesuggestivo, è signi-ficativo in termini dipotenziali applica-zioni che preve-dono l’al imenta-zione di oggetti nondirettamente invista con la sor-gente di onde eva-nescenti.

5.3 Punti ancora da risolvere e/o ottimizzare

I l successo di questo primo prototipo, pursuscitando motivata soddisfazione, non deve farscordare gli immancabili “punti deboli” ancora pre-senti. Occorre anzitutto operare un distinguo tra ipunti da perfezionare e quelli ancora da risolvere,dando ovviamente precedenza a quest’ultimi.

I punti da risolvere sono comuni ai dimostratoriMIT e TILab. In primis vi è quello della portata utiledel campo energetico evanescente. Come giàricordato gli effetti energetici di un’onda evane-scente sono percepibili sino ad un terzo della sualunghezza d’onda, dopodiché essi decadono inmodo esponenziale, vanificando bruscamente laresa del sistema. L’attuale efficienza dei dimostra-tori si estingue bruscamente oltre i due metri;

FOTO 2› Il prototipo portatile di TILab.

FOTO 3› Ostacoli, anche metallici,

hanno un basso impatto sul campoevanescente.

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ovviamente usando una frequenza opera-t iva più bassa, ossia una lunghezzad’onda maggiore, questa portata utileaumenta, ma occorre poi fare i conti conle dimensioni dei loop per mantenerecostante il loro guadagno.

Altro punto da risolvere è la completasoppressione della componente elettricaindesiderata del campo lontano, sia perragioni di impatto biologico verso per-sone ed animali sia per le possibili inter-ferenze radio presenti sulla frequenza inuso del dimostratore. Detta componenteindesiderata era inizialmente presente neidimostratori MIT e TILab in misura dicirca il 15% della potenza applicata; ora,con l’adozione del loop di accoppia-mento magnetico di Faraday descritto inprecedenza, essa è scesa a circa il 5%,ma future azioni di schermatura all’interastruttura potrebbero ulteriormente ridurrequesto valore.

I punti da perfezionare risiedono prin-cipalmente nel la qual i tà dei loop.Siccome essi sono percorsi da frequenzepiuttosto elevate, la distribuzione di ener-gia si manifesta principalmente sullasuperficie esterna per effetto del SE (Skin Effect),ossia dell’effetto pelle. L’effetto pelle è la tendenzadi una corrente elettrica alternata a distribuirsi den-tro un conduttore in modo non uniforme: la suadensità è maggiore sulla superficie ed inferioreall’interno. Questo comporta un aumento dellaresistenza elettrica del conduttore particolarmentealle alte frequenze. In altre parole, una parte delconduttore non viene utilizzata: è come se non esi-stesse. Ne consegue una maggiore dissipazione dipotenza a parità di corrente applicata o una minorecorrente a parità di tensione applicata. Sebbene idimostratori visti tengano già in conto dell’effettopelle, facendo uso di loop in rame ad ampiasezione con l’interno cavo, si potrebbe compiereun ulteriore miglioramento delle prestazioni deposi-tando sui medesimi un microstrato di metallonobile (tipicamente argento o oro). In questo modola resistenza dei loop diminuirebbe ulteriormente,incrementando il loro fattore di merito (Q) e, inultima analisi, aumentando l’efficienza del trasferi-mento di energia.

6. Possibili ricadute appilcative del dimostratore

Si è visto che questa tecnologia necessita di ulte-riori approfondimenti in termini di efficienza e sicu-rezza; tuttavia già oggi alcune ricadute applicativeper il dimostratore presentato sono già praticabili. Sipensi ad esempio di scalare distanza e dimensionied integrare il loop trasmissivo in una scrivania, in untablet od in qualunque altra superficie ergonomicacol fine di alimentare senza fili una moltitudine diapparati a batterie semplicemente appoggiandoli sudi essa. Ciò significherebbe liberarsi di caricatori, filied adattatori per le prese di rete.

Un salto qualitativo ancor più interessante, dalato terminale mobile, sarebbe quello di eliminareaddirittura la batteria, sostituendola con un piccololoop ricevente collegato ad un ultracapacitore,ossia un’emergente tecnologia per l’immagazzina-mento dell’energia ricevuta; a differenza della bat-teria, l’ultracapacitore ha un ciclo di vita mediaenormemente maggiore, anche superiore al tempomedio d’utilizzo del terminale stesso.

Oggi già si affacciano sul mercato dispositivisimili, basati sull’induzione magnetica ad alta fre-quenza, come quello mostrato nella foto 4, ma sefosse applicata la metodologia del campo ad ondeevanescenti con risonatori ad alto fattore di merito,sarebbe possibile, a distanza così ravvicinata, otte-nere un’efficienza nettamente superiore condispersioni energetiche nell’ambiente circostanteassolutamente trascurabili.

Immaginiamo un simile prodotto, commercializ-zato in bundle col telefonino marchiato TIM: oltreche utile, esso risulterebbe indubbiamente appea-ling per l’utente finale rafforzando la fidelizzazionedel medesimo.

Guardando invece al medio termine, un disposi-tivo ad onde evanescenti potrebbe risultare impa-reggiabile se applicato nel campo delle reti di sen-sori ed attuatori wireless. Per quest’ultime, infatti,Telecom Italia ed altri grandi operatori stanno inve-stendo in ricerca perchè le WSN sono percepitecome generatori di una miriade di nuovi servizi avalore aggiunto. Secondo unanimi previsioni, neiprossimi 10, 15 anni i nodi radio delle WSN si con-teranno a miliardi ed una loro alimentazione a bat-terie è impossibile in termini economici, manuten-tivi ed ecologici; la wireless power transmission adonde evanescenti potrebbero divenire la soluzioneottimale a questo problema tuttora irrisolto.

FOTO 4› Ricaricatore senza fili basato su induzione magnetica.

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7. Conclusioni

La trasmissione di energia senza fili effettuatatramite risonatori ad alta efficienza in un campo adonde evanescenti è finalmente passata dalla faseconcettuale a quella prototipale. Gli esperimentieffettuati presso il MIT e TILab hanno avuto suc-cesso, consentendo un trasferimento energetico adistanze dell’ordine del paio di metri, con un’effi-cienza compresa tra il 15% ed il 40%. Il prototipoTILab ha dimostrato inoltre per primo che il trasfe-rimento energetico è perturbato in modo minimoanche quando tra l’elemento emittente e quelloricevente sono interposti oggetti metallici, confe-rendo così al sistema notevole flessibilità operativaper sue eventuali future applicazioni.

Sicuramente si è ancora agli inizi e parecchiemigliorie debbono essere intraprese in termini diefficienza e dimensioni dei loop, di impatto biolo-gico e di interferenze col campo elettromagneticolontano cui altri dispositivi radio operano.

Se questi problemi aperti saranno superati icampi di applicazione della tecnologia qui presen-tata saranno sterminati; già ora una ricaduta appli-cativa è possibile per quanto concerne la ricaricasenza fili di telefonini, notebook ed altri dispositivimultimediali. Infatti, una soluzione molto semplifi-cata del dimostratore presentato, prevede un’inte-grazione del loop in qualunque superficie (tavo-letta, scrivania od altri supporti ergonomici) ren-dendo così possibile un’efficientissima ricarica diqualunque dispositivo portatile semplicementeappoggiandolo su di essa.

Sul medio termine, un dispositivo ad onde eva-nescenti potrebbe risultare impareggiabile nell’ov-viare all’uso delle batterie sia in ambito outdoorche indoor con un positivo impatto in termini eco-nomici e manutentivi, ma soprattutto contribuendoa migliorare l’impatto ecologico, tema assai caro aTelecom Italia già da tempo impegnata sul frontedel risparmio energetico.

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— ACRONIMI Val ter Be l la s i è d ip lomato inTelecomunicazioni e laureato in Fisica. Finoal 2000 si è occupato, presso i l CentroRicerca, microelettronica, di Telecom Italia,partecipando a numerosi progetti di ricercain ambito nazionale ed europeo. Tra il 2001ed il 2003 ha condotto per TILab il progettoeuropeo PASTORAL, dedicato all’emergentetecnologia di Software Defined Radio. Nel2004 si è occupato di nuove tecnologie

wireless quali RFID e ZigBee e contestualmente ha affrontato lostudio delle nanotecnologie MEMS e delle antenne frattali. Dal2006 è attivo, presso la funzione “Research & Trends”, sul temadel le ret i d i sensor i ed attuator i wire less con part icolareriferimento alla parte radio ed alle tecnologie alternative allebat te r ie qua l i l ’energy scaveng ing e la wi re less powertransmission, per la quale ha ideato e realizzato il sistema quipresentato. È autore di parecchie pubblicazioni e brevett iinternazionali.

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