Sistemi di trasmissione di potenza wireless

8/17/2019 Sistemi di trasmissione di potenza wireless

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Nell’ambito delle telecomunicazioni, dell’informatica e dell’intrattenimento assistiamo oggi ad unacrescita vertiginosa di dispositivi portatili. Sicuramente questi hanno contribuito a semplificare moltiaspetti della nostra quotidianità, ma per contro, la presenza al loro interno delle batterie ha postonuovi problemi quali la ricarica, la sostituzione e lo smaltimento delle medesime. Ovviare allapresenza delle batterie non è semplice e le strade percorribili sono sostanzialmente due: l’energy

scavenging, ossia il tradurre in energia elettrica altre forme di energia presenti nell’ambientecircostante, e la trasmissione di potenza senza fili.

La tesi affronta quest’ultima tecnologia, basata sui circuiti risonanti accoppiati. A valle diun’esposizione concettuale di questo sistema sono descritti i due relativi dimostratori, realizzati nelMIT e in TILab. Entrambi gli esperimenti hanno dimostrato un trasferimento energetico a distanzedell’ordine del paio di metri, con un’efficienza compresa tra il 15% ed il 40%. Il prototipo TILab hadimostrato inoltre che il trasferimento energetico è perturbato in modo minimo anche quando tral’elemento emittente e quello ricevente sono interposti oggetti, anche metallici, conferendo così alsistema notevole flessibilità operativa per sue eventuali future applicazioni. Già ora una ricaduta

applicativa è possibile per quanto concerne la ricarica senza fili di telefonini, notebook ed altridispositivi multimediali. Infatti, una soluzione molto semplificata del dimostratore prevedeun’integrazione del loop emittente in qualunque superficie (tavoletta, scrivania od altri supportiergonomici) rendendo così possibile un’efficientissima ricarica di qualunque dispositivo portatilesemplicemente appoggiandolo su di essa. Sul medio termine invece, un dispositivo ad ondeevanescenti potrebbe risultare impareggiabile nell’ovviare all’uso massivo delle batterie in scenariemergenti come l’Internet delle cose, con un positivo impatto in termini economici e manutentivi,ma soprattutto contribuendo a migliorare l’impatto ecologico.

1. Introduzione

La capacità di trasferire “senza fili” dati attinenti ad informazioni vocali, video e testuali ha

oggi raggiunto un soddisfacente grado di maturità, concretizzando così il primo dei due obiettivicollegati al mondo delle telecomunicazioni. Il secondo obiettivo è quello di far funzionare tutto ciòche è portatile “senza batterie”, e conseguentemente senza I relativi caricatori. Già oggi nellenostre abitazioni ed uffici cerchiamo di districarci tra grovigli di fili dei caricatori per cellulari,dispositivi bluetooth, laptop, PDA oltre a quelli per gli MP3 player, videocamere e fotocameredigitali. Ma l’attuale scenario non evidenzia ancora appieno la portata di questo problema. Già neiprossimi anni, infatti, si assisterà ad una nuova rivoluzione denominata l’Internet delle cose,un’espressione suggestiva per indicare miliardi di oggetti che si autorganizzano in pico-reti disensori ed attuatori WSN (Wireless Sensor Network), in grado di conferire una “fisicità” all’attualeInternet dotandola della capacità di percepire gli stimoli provenienti dell’ambiente reale circostante

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,a meno di nuove soluzioni, le batterie impiegate si conteranno a miliardi con problemi enormi darisolvere in termini economici, ecologici e manutentivi. Telecom Italia, da tempo impegnata sultema del risparmio energetico nonché sulla sperimentazione di fonti alternative di produzione dienergia elettrica per alimentare le stazioni radio base, pone anche particolare attenzione alproblema delle batterie in quanto destinato a divenire precipuo nei futuri servizi a valore aggiunto(VAS) basati sulle emergenti reti wireless di sensori ed attuatori. In questo contesto, presso ilaboratori di ricerca TILAB sono in essere attività di scouting e realizzazione prototipale sulle duepossibili modalità alternative alle batterie:

• l’energy scavenging, ossia l’insieme di tecnologie per tradurre in energia elettrica altreentità presenti nell’ambiente circostante quali luce, suoni, vibrazioni, temperatura, campielettromagnetici, … • la trasmissione di energia senza fili, necessaria quando dell’energy



scavenging non risulta sufficiente ed occorre perciò trasferire energia dalla sorgente al dispositivofinale senza l’adozione di conduttori elettrici. Mentre l’energy scavenging è una tematica di ricercapiuttosto diffusa in ambito accademico e presso i laboratori di ricerca, la trasmissione di energiasenza fili è meno trattata in quanto non ha raggiunto ancora una soluzione ottimale, ma proprio perquesto essa rappresenta un tema sfidante e disruptive per le applicazioni wireless del futuro.

2. Sistemi di trasmissione di potenza wireless

2.1 storia

Nel 1825 William Sturgeon inventò l’elettromagnete e grazie a questo sei anni dopo MichaelFaraday dimostrò il principio dell’induzione elettromagnetica, ossia il fenomeno per cui lavariazione del campo magnetico in un elettromagnete induce una corrente alternata in unavvolgimento adiacente anche se non vi è alcun contatto elettrico. Combinando queste due

scoperte, nel 1836 Nicholas Joseph Callan dimostrò la trasmissione e la ricezione di energiaelettrica senza fili con un dispositivo che oggi è conosciuto come trasformatore elettrico. Nel 1864il matematico James Clerk Maxwell formulò un pacchetto di equazioni, che presero il suo nome, ingrado di descrivere con accuratezza la propagazione nello spazio della radiazioneelettromagnetica e la relazione esistente tra campo elettrico e campo magnetico. Nel 1888Heinrich Hertz confermò sperimentalmente le equazioni di Maxwell con un generatore di ondeelettromagnetiche rilevabili a distanza. Ciò permise qualche anno dopo a Guglielmo Marconi dievolvere l’apparato di Hertz realizzando la prima trasmissione radio a distanza. Ma quando siconduce una ricerca bibliografica sul tema della trasmissione di energia senza fili si finiscesistematicamente, e doverosamente, col ritrovare il grande fisico, inventore ed ingegnere serboNikola Tesla, nato a Smiljan nel 1856. Tesla è conosciuto soprattutto per il suo rivoluzionariolavoro e i suoi numerosi contributi nel campo dell’elettromagnetismo tra la fine dell’Ottocento e gliinizi del Novecento. Tra le sue molteplici creazioni vi è anche la bobina di Tesla (figura 1A), untrasformatore risonante con avvolgimenti sintonizzati in aria per produrre altissime tensioni ad altafrequenza. Egli realizzò diverse versioni di queste bobine, sempre più potenti, sino alla costruzionedella Wanderclyffe Tower (figura 1B) avvenuta nel 1903, una torre alta 60 metri sulle scogliere diWanderclyffe, Long Island, New York e contenente un’enorme bobina per la trasmissione dienergia senza fili a chilometri di distanza. Purtroppo il geniale scienziato non era un buon managerdi se stesso e vari conflitti con i suoi finanziatori lo portarono allo smantellamento della torre ed allasuccessiva morte in povertà. Dopo le esperienze di Tesla, l’uso delle onde elettromagnetiche siindirizzò prevalentemente alla trasmissione dell’informazione, grazie anche ad invenzioni

straordinarie per la comunicazione di massa quali la radio e la televisione. Tuttavia, sebbene informa più contenuta, nei decenni successivi furono sperimentate varie tecniche di trasmissione dienergia wireless, anche con risultati di rilievo, ma sempre con qualche controindicazione, talvoltadi carattere economico, altre volte di dipendenza da fenomeni fisici naturali, come esposto nelprossimo paragrafo.



FIGURA 1› A) Bobina di Tesla; B) foto d’archivio della torre di Wanderclyffe.

2.2 Gli approcci odierni

Il parametro di maggior criticità nel trasferimento di energia senza fili è indubbiamente l’efficienza.Essa è definita come il rapporto tra la potenza che raggiunge l’unità ricevente e quella emessadall’unità trasmittente. Tra il 1960 e 1970 furono sperimentate tecnologie per il trasferimento dienergia ad alta efficienza e potenza, anche su lunghe distanze, tramite sistemi a fasci dimicroonde che in condizioni favorevoli raggiungono un’efficienza del 90%. Per contro trasmettitoree ricevitore devono essere in visibilità ottica senza ostacoli interposti ed il sistema richiede antennead alto guadagno e quindi di dimensioni ingombranti (figura 2). Infine il sistema deve essereubicato in zone rurali scarsamente abitate per ovviare a possibili effetti sulla popolazione in terminidi impatto biologico. Un’altra tecnologia efficiente per il trasferimento energetico senza fili ècostituita da un trasmettitore laser ed un ricevitore costituito da pannelli fotovoltaici ottimizzati peroffrire la massima resa sulla lunghezza d’onda del laser. A tal proposito, nel 2003 la NASA haconcretizzato questa tecnologia facendo volare un modello di aereo (figura 3) su cui era puntato un

raggio laser: la replica in scala reale di questo esperimento, con fascio laser emesso da satelliti,conferirebbe al velivolo un’autonomia di volo praticamente illimitata. Il maggior inconveniente diquesto approccio, oltre al requisito che trasmettitore e ricevitore devono essere in visibilità ottica, èrappresentato dall’attenuazione del fascio laser per assorbimento in caso di nuvole o nebbia.Esiste poi un progetto, ad oggi non ancora concretizzatosi per ragioni economiche, denominatoSPS ossia una rete di satelliti disposti in modo da raccogliere in modo continuativo sulle 24 ore laluce solare trasformandola in un potente fascio a microonde da indirizzare verso stazioni riceventia terra (figura 4); in altre parole si avrebbe un’energia continuativa, rinnovabile con zero emissioni.

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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).

Sicuramente, ad oggi, la trasmissione di energia via cavo è molto più efficiente di quella wireless,soprattutto sulle lunghe distanze in quanto l’ottima conducibilità elettrica del rame introduce basseperdite energetiche lungo il cammino. Per tutte queste ragioni esposte, finora l’unico trasferimentoenergetico wireless che ha trovato ampia diffusione è quello destinato ad applicazioni richiedentidistanze molto brevi e potenze molto contenute, quale la passive RFID (Radio FrequencyIDentification), una tecnologia per l’identificazione automatica di oggetti, animali o persone. Il

sistema passive RFID si basa sulla lettura, a distanza di pochi centimetri, di informazioni contenutein un’etichetta elettronica priva di batteria ed alimentata dal campo elettromagnetico generato daun opportuno lettore. In questo scenario rimaneva però un dominio spaziale ed energeticoinesplorato, ossia quello relativo alla trasmis sione di energia wireless nel raggio di pochi metri conpotenze dell’ordine della decina di watt. Improvvisamente l’interesse per questo dominio è tornatovivo per l’esigenza di alimentare senza batterie miliardi di dispositivi wireless a basso consumo.Dopo varie esplorazioni teoriche e simulazioni funzionali condotte a livello mondiale pressoimportanti atenei e rinomati centri di ricerca tra i quali TILab, un approccio è parso concretamentepercorribile: quello delle onde evanescenti.

3. Le onde evanescenti

3.1 Definizione

Prima di proseguire nella trattazione sul tema occorre fornire una spiegazione sulla natura delleonde evanescenti, cercando di evitare un prolisso formalismo matematico, per il quale si rimandaalle ben note soluzioni delle equazioni di Maxwell presenti in letteratura. Le equazioni di Maxwelldescrivono le relazioni tra campo elettrico e campo magnetico e tra carica elettrica e correnteelettrica. Da queste equazioni si evince che la radiazione emessa da un’antenna è spazialmentesuddivisa in tre regioni: campo vicino non radiativo, campo vicino radiativo e campo lontano

radiativo. Le onde evanescenti sono le onde presenti nell’immediata vicinanza dell’antenna, ossianel campo vicino non radiativo, e la loro energia viene emessa, e quasi totalmente riassorbita, inmodo ciclico. Queste onde vengono dette evanescenti perché gli effetti della loro presenza



decadono in modo esponenziale con l’allontanarsi dall’antenna e già dopo una distanza pari acirca un terzo della loro lunghezza esse non sono più rilevabili. Il modo più intuitivo ed immediatoper osservare le onde evanescenti è quello di dirigere un raggio luminoso con una certaangolazione su una superficie di separazione tra due mezzi, ad esempio aria ed acqua, aventidiverso indice di rifrazione (figura 5). Tipicamente, una componente del raggio luminoso incidente

viene riflesso indietro mentre l’altra penetra nel secondo mezzo cambiando l’angolo d’incidenza.Questo è il motivo per cui se osserviamo un cucchiaino immerso in un bicchiere contenente acquaesso ci appare “spezzato”. Il fenomeno della rifrazione però si manifesta solo fino ad un certoangolo di incidenza del raggio luminoso, detto angolo critico, oltre il quale la riflessione divienetotale ed il raggio luminoso non penetra più nel secondo mezzo. Quando si verifica la riflessionetotale, nel secondo mezzo tuttavia si ha un’onda trasmessa che si propaga lungo la superficie diseparazione, mentre si attenua in modo esponenziale nella direzione normale alla superficiestessa: essa è un’onda evanescente. Ma perché l’onda evanescente esiste? Fisicamentel’insorgere di un’onda evanescente può essere spiegata in modo relativamente semplice. Un fasciodi luce incidente ha una velocità di fase che è funzione dell’indice di rifrazione dei due mezzi

coinvolti. Supponiamo che il primo mezzo abbia un indice di rifrazione più elevato del secondo: lavelocità di fase nel primo mezzo risulta minore dell’analoga quantità nel secondo mezzo. Nellaregione di interfaccia, per rispettare la continuità delle componenti magnetica ed elettrica delcampo, le onde che si propagano nei due mezzi devono muoversi con la stessa velocità nelladirezione dell’asse superficiale. Ne consegue che, con l’aumentare dell’angolo incidente del raggioluminoso sino a raggiungere l’angolo critico, l’onda presente nel secondo mezzo deve dunquerallentare per mantenersi in fase con la prima, fino a trasformarsi in un’onda lenta superficiale conampiezza che decresce esponenzialmente, ossia un’onda evanescente

FIGURA 5 Le onde evanescenti emergono contestualmente al fenomeno della riflessione totale.

3.2 I vantaggi dell’accoppiamento tra risonatori ad onde evanescenti

Per accoppiamento tra risonatori si intende il processo per cui un’onda evanescente vienetrasmessa da un mezzo all’altro per mezzo di un campo elettromagnetico non radiativo. Ilvantaggio precipuo di effettuare un accoppiamento tra risonatori ad onde evanescenti sta nel fattoche se non vi è un mezzo ricevente risonante alla stessa frequenza, gran parte di quest’energia

non radiativa rimane confinata alla sorgente (figura 6A), senza propagarsi e dissiparsi inutilmente.Un altro grande vantaggio offerto dall’accoppiamento tra due o più risonatori sta nel fatto che senell’ambiente circostante esistono altri apparati con frequenza di risonanza differente lo scambio



energetico con quest’ultimi è minimo, il che significa anche ridurre al minimo il rischio diinterferenze. In ultimo, ma non per importanza, essendo l’accoppiamento tra i risonatoriprevalentemente dominato dal campo magnetico, il trasferimento energetico tra apparato sorgentee ricevitore rimane efficiente anche quando vi si trovano interposti sul cammino oggetti di varianatura (figura 6B), anche metallici ma non ferromagnetici, come rame ed alluminio in quanto la

componente elettrica del campo non partecipa alla propagazione.

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

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

3.3 Generare le onde evanescenti

Il concetto fisico di onde evanescenti trova conferma in esperimenti effettuati nei dominidell’acustica, dell’ottica e delle onde radio. Proprio in quest’ultimo dominio ci si orienta al fine dieffettuare trasferimenti energetici con un raggio d’azione dell’ordine dei metri. In precedenza si èvisto che il raggio d’azione delle onde evanescenti è di circa un terzo della loro lunghezza d’onda,perciò diventa relativamente semplice determinare la frequenza cui il sistema dovrà operare inquanto quest’ultima è data dal rapporto tra la velocità della luce e la lunghezza d’onda prescelta.Requisito fondamentale nell’utilizzo delle onde evanescenti è quello di costruire strutture emissivein grado di esaltare la componente magnetica del campo a radiofrequenza generato cercando disopprimere e schermare per quanto possibile la componente elettrica, la cui presenza nel campolontano radiativo genera segnali interferenti indesiderati. Nel capitolo seguente è illustratol’approccio concettuale per la realizzazione di un prototipo per il trasferimento energetico senza fili.

4. Architettura di un sistema di trasferimento energetico ad onde evanescenti

Lo schema concettuale dell’architettura adottata per il trasferimento energetico tramite ondeevanescenti è illustrata in figura 7. Un generatore a radiofrequenza applica un segnale confrequenza dell’ordine dei megahertz ad un risonatore ad alto fattore di merito, cuore del sistema,progettato in modo da emettere principalmente la componente magnetica del campo e di

sopprimere la componente elettrica, tipicamente presente nella propagazione del campo lontano.Le onde evanescenti emesse trasferiscono la loro energia ad un analogo risonatore posto ad unadistanza di qualche metro. Se la tensione presente in arrivo non è sufficientemente elevata, questa



può essere moltiplicata, senza l’ausilio di elettronica alimentata, tramite un circuito di Cockcroft-Walton. Nei paragrafi che seguono sono analizzati i singoli blocchi costituenti l’intero sistema.

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

4.1 Il loop magnetico risonante

Quando un circuito con induttanza (L) e capacità (C) collegate in parallelo (figura 8A) vieneeccitato da un’energia esterna, a radiofrequenza, l’energia elettromagnetica percorre l’induttore Led il condensatore C ed assume alternativamente la forma di un campo magnetico (durante la fasedi corrente nell’induttanza) e di un campo elettrico (durante la fase di tensione al condensatore).Nelle immediate vicinanze del circuito (campo vicino) c’è un campo d’induzione elettromagneticache decresce secondo il cubo della distanza. Un tale circuito però non crea un significativo campodi radiazione, tuttavia se si modifica la struttura del condensatore aumentando la distanza fra lesue armature e si stira l’induttore in maniera che le due componenti del circuito occupino unospazio massimo, il prodotto LC rimane inalterato ed il circuito è in grado di produrre una radiazione

elettromagnetica in grado di propagarsi nello spazio (campo lontano). Un siffatto circuito prende ilnome di “antenna”. Ma dov’è finita la capacità che avevamo nel circuito? Si è ripartita per tutta lalunghezza dell’induttanza, che è stata stirata sino ad assumere la forma di un filo (figura 8B).

FIGURA 8› A) Circuito risonante LC;

B) filo stirato;

C) loop a singola spira;

D) direzione di emissione del loop magnetico.



L’obiettivo in oggetto è però quello di realizzare un loop con un campo elettrico di prossimitàquanto più debole possibile e ciò è possibile concentrando la capacità del circuito in uncondensatore, invece che ripartirla per tutta la lunghezza del filo irradiante. È per questa ragioneche in fase progettuale si sceglie un loop composto da un’unica spira (figura 8C), dove il campoelettrico si concentra quasi esclusivamente nel condensatore, mentre quello magnetico si sviluppa

su una superficie sufficiente a consentire l’emissione del campo vicino. La direzione di emissioneprincipale del loop magnetico è radiale nel piano della spira (figura 8D), mentre nelle due direzioniperpendicolari che tagliano tale piano, la radiazione è minima. Tuttavia non è sufficiente confinareil campo elettrico tra le armature del condensatore per massimizzare la componente magnetica delcampo emanata, ma occorre operare un distinguo tra i loop in elettricamente piccoli e grandi. Unloop si definisce elettricamente piccolo quando la lunghezza del cavo che lo avvolge lungo il suoperimetro è molto minore della lunghezza d’onda applicata. Vari autori utilizzano diverse lunghezzedi riferimento per definire un loop elettricamente piccolo. Conformemente ai manuali della marinaamericana della seconda guerra mondiale, un loop è da considerarsi piccolo se la lunghezzacomplessiva del filo è definita come minore di 0,22 volte la lunghezza d’onda. L’ARRL Antenna

Book definisce il loop piccolo se si ha una lunghezza complessiva di 0,085 volte la lunghezzad’onda. I loop elettricamente piccoli e grandi differiscono nella distribuzione della correnteall’interno del cavo con il quale sono costituiti. Nei loop elettricamente piccoli la corrente che viscorre all’interno è uniforme in tutte le porzioni del cavo, mentre nei loop elettricamente grandi lacorrente varia lungo la lunghezza del conduttore. Inoltre, i loop piccoli differiscono da quelli grandidal modo in cui reagiscono ai segnali radio. Un segnale radio è un’onda elettromagneticatrasversale, o TEM (Transverse Electromagnetic Mode), in cui il campo elettrico e quellomagnetico sono sempre perpendicolari fra loro ed il piano nel quale giacciono è sempre ortogonalealla direzione di propagazione (figura 9). I loop grandi rispondono fondamentalmente allacomponente elettrica dell’onda TEM, mentre i loop piccoli rispondono principalmente alla

componente magnetica ossia si comportano come la spira di un induttore. Perché la forma del loopè tipicamente circolare, sebbene talvolta sono osservabili altre forme geometriche più facili darealizzare? Il motivo è semplice. Per quanto visto in precedenza, il perimetro del loop deve esseremolto piccolo rispetto alla lunghezza d’onda del segnale a radiofrequenza applicato, macontestualmente è auspicabile un’area grande per un’efficiente emissione del campo. Lageometria insegna che, per una linea di una data lunghezza posta in modo da circoscrivere unacerta area, la forma circolare è quella che presenta la maggiore superficie e quindi, in questoparticolare contesto, il loop circolare è quello che meglio coniuga i suddetti requisiti tra lorocontrastanti. Infine il loop emittente e quello ricevente debbono possedere un fattore di merito, perconvenzione indicato con Q, estremamente elevato in quanto l’efficienza di scambio energetico trai medesimi è proporzionale al prodotto dei rispettivi Q. In sostanza per un efficiente trasferimentoenergetico è richiesto che: Qemittente x Qricevente >106.



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

4.2 Moltiplicatore di Cockcroft-Walton

Mediante la ripetizione di celle in cascata, costituite da diodi e condensatori opportunamenteconnessi, il circuito di CockcroftWalton (figura 10) consente di moltiplicare una tensione alternatapresente al proprio ingresso convertendola in tensione continua. In questo modo si realizzano

circuiti duplicatori, triplicatori, ecc. di tensione, spesso utilizzati in molti dispositivi elettronici, il piùnoto dei quali è il moltiplicatore di tensione presente nello stadio AT di tutti i televisori.Sostanzialmente in una semionda del segnale d’ingresso tutte le capacità presenti vengono acaricarsi parallelamente al valore della tensione applicata, mentre nella semionda successiva essesi trovano connesse in serie, offrendo in uscita la somma delle rispettive tensioni accumulate. Perottenere un ampio intervallo del punto di lavoro, esso deve essere dimensionato in modo daottenere l’efficienza di potenza ottimale, riuscendo a conseguire il massimo trasferimento dipotenza dal loop ricevente al moltiplicatore di tensione. A questo proposito, in fase didimensionamento del valore dei componenti è importante riuscire a creare una rete di adattamentotra loop ricevente e moltiplicatore di tensione, in modo da non creare disadattamenti d’impedenza

che potrebbero inficiare il corretto funzionamento e la resa dell’intero sistema.

5. Prototipi ad onde evanescenti

Soljacic del MIT nei primi anni 2000 cominciò a studiare un sistema per la trasmissionedell'energia senza fili. Invece di perseguire uno schema a lunga distanza come Tesla, decise dirivolgersi a metodi di trasmissione a media frequenza che potevano ricaricare - o persino



alimentare - congegni portatili come i cellulari, i PDA e i portatili. Soljacic prese in considerazionel'idea di usare le onde radio, che in effetti trasmettono l'informazione attraverso l'etere, ma si reseconto che la maggior parte della loro energia va persa nello spazio. Allo stesso modo, metodi piùmirati come i laser richiedono la presenza di spazi senza ostacoli e possono avere conseguenzedannose su ciò che incontrano nel loro tragitto. Allora Soljacic ha preso in considerazione

un'ipotesi che avesse caratteristiche di efficienza, vale a dire che l'energia nel suo percorso nonvenisse dissipata, e di sicurezza.

Il professore del MIT si è quindi interessato al fenomeno della doppia risonanza, in cui due oggettisintonizzati sulla stessa frequenza si scambiano intensamente energia, ma interagiscono solodebolmente con gli altri oggetti. Un classico esempio è costituito da una serie di bicchieri di vino,ognuno riempito a un differente livello in modo da vibrare a una diversa frequenza sonora. Se unacantante intona una nota che si accorda con la frequenza di un bicchiere, quest'ultimo potrebbeassorbire così tanta energia acustica da infrangersi; gli altri bicchieri rimarrebbero intatti.

Soljacic ha scoperto che la risonanza magnetica è un promettente strumento di trasmissionedell'elettricità perché i campi magnetici che viaggiano liberamente attraverso l'etere hanno unimpatto limitato sull'ambiente o, alle giuste frequenze, sugli esseri viventi. Il professore di fisica delMIT ic ha ideato un sistema semplice per alimentare senza fili una lampadina di 60 watt.

I ricercatori hanno costruito due serpentine di rame risonanti e le hanno appese al soffitto, a circa

due metri di distanza una dall'altra. Quando hanno collegato una serpentina alla presa a muro, lacorrente alternata vi è fluita attraverso, creando un campo magnetico. La seconda serpentina,sintonizzata sulla stessa frequenza e agganciata a una lampadina, è entrata in risonanza con ilcampo magnetico, generando una corrente elettrica che ha acceso la lampadina, anche inpresenza di una sottile parete tra le due serpentine.

Finora, il sistema migliore è costituito da serpentine di rame di 60 cm e un campo magnetico di 10megahertz; questo trasferimento di energia avviene a una distanza di due metri con un livello diefficienza di circa il 50 per cento. Il gruppo sta studiando l'uso dell'argento e di altri materiali per

diminuire le dimensioni delle serpentine e incrementare l'efficienza.

"Anche se l'ideale sarebbe raggiungere efficienze del 100 per cento, sarebbe realisticamenteaccettabile il 70 o 80 per cento per un'applicazione standard", affermava Soljacic.

Nel frattempo, emergevano altri strumenti per la ricarica delle batterie senza fili. Alcune aziendegiovani, Powercast, Fulton Innovation e WildCharge, hanno cominciato a commercializzareadattatori e pad che permettono ai consumatori di ricaricare cellulari, lettori MP3 e altri apparecchia casa o, in alcuni casi, in macchina, senza attaccarli alla corrente. Ma la tecnica di Soljacicdifferisce da questi approcci in quanto potrebbe in futuro consentire di ricaricare automaticamente idiversi apparecchi, evitando l'uso di pad, a condizione che si trovino nel raggio d'azione di un

trasmettitore wireless.



Il lavoro del MIT ha attirato l'attenzione delle aziende di elettronica di consumo e dell'industriaautomobilistica. Il Ministero della Difesa statunitense, che finanzia la ricerca, spera che saràpossibile per i militari ricaricare automaticamente le batterie. Comunque, Soljacic è cauto sulleeventuali collaborazioni con il mondo industriale.

Nel secondo semestre del 2006, presso il MIT e il TILAB, la parte teorica e simulativa necessariaalla realizzazione di un prototipo si poteva ritenere conclusa. Nel giugno 2007 il team di Soljacicannunciò alla comunità scientifica mondiale la riuscita dell’esperimento per il trasferimento dienergia senza fili, subito ribattezzato WiTricity, intuitiva contrazione dei termini inglesi “Wireless” e“Electricity”. Tre mesi dopo il prototipo realizzato in TILab entrava felicemente in funzione,ovviando ad alcuni inconvenienti della versione MIT.

5.1 Il prototipo di WiTricity del MIT

Come illustrato nella foto 1, il WiTricity realizzato dal MIT è costituito da un trasmettitore valvolarebasato su un oscillatore Colpitts che eroga 400 watt. I loop risonanti sono entrambi costituiti da

cinque spire circolari del diametro di 60 centimetri spaziate in modo da autorisonare alla frequenzadel trasmettitore. Un accoppiamento induttivo formato da una spira trasferisce questa potenza sulloop risonante emittente, e siccome questo trasferimento ha una resa di circa il 37% ne consegueche la potenza emessa dal loop risonante è di 150 watt. Il prototipo MIT è in grado di accendereuna lampadina da 60 watt alla distanza di due metri, dopodiché il campo, proprio perchéevanescente si smorza rapidamente. In merito all’efficienza del sistema vi è una guerra dei numeri,in quanto il gruppo autore del prototipo dichiara una resa del 40%, ottenuta come rapporto tra i 150watt emessi dal loop emittente ed i 60 watt necessari all’accensione della lampadina, mentre idetrattori dell’esperimento sostengono che la resa è solo del 15%, computata come rapporto tra i400 watt emessi dal trasmettitore ed i 60 watt del carico finale costituito dalla lampadina.

Nonostante il successo dell’impresa ed il meritato eco mediatico nella comunità scientifica, ilprototipo del MIT è ancora molto “concettuale”, in quanto peso e dimensioni lo rendono tutt’altroche “portabile”, i loop sono molto grandi e profondi e la loro taratura per ottenere la risonanzaavviene manualmente, stringendo ed allargando le spire costituenti i medesimi, con tempi disintonia lunghissimi. Proprio osservando i punti deboli di questo prototipo, e cercando di ovviarli, èstato realizzato il prototipo TILab.

5.2 Il prototipo di TILAB

Il prototipo realizzato in TILab si colloca sin dalla fase progettuale su un’altra scala di potenze edimensioni, pur mantenendo l’efficienza dell’omologo d’oltre oceano. Esso è stato infatti concepito

per trasmettere potenze dell’ordine del watt, in quanto esse sono più che sufficienti per alimentarenodi di reti di sensori senza fili (WSN) oppure alimentare e/o ricaricare terminali mobili. Lespecifiche, pianificate e conseguite, del dimostratore di TILab prevedevano un sistema cherisultasse: • compatto e leggero, ossia portabile; • in grado di operare con continuità in un range difrequenze comprese tra 3 e 30 MHz senza variare i loop; • in grado di accettare potenze dipilotaggio fino a 100 watt; • dotato di un trasmettitore quarzato, allo stato solido e di ridottedimensioni; • costituito da loop emittente e ricevente con diametro dimezzato rispetto a quello delMIT; • costituito da loop a singola spira e quindi senza profondità e senza necessità di sostegno; •libero da tediosi ed iterati procedimenti di allineamento manuale dei loop; • dotato di un’unicamanopola di accordo tramite un condensatore variabile. Vediamo ora com’è costituito il

dimostratore TILab. Con riferimento alla foto 2, un trasmettitore quarzato fornisce un segnale aradiofrequenza che alimenta un cavo coassiale a 50 Ω richiuso a loop all’altro suo estremo.Questo piccolo loop, geometricamente dimensionato in modo da avere anch’esso un impedenza di



50 Ω è di fatto un accoppiatore induttivo di Faraday, ossia esso consente il trasferimento dellacomponente magnetica del campo, mentre quella elettrica è schermata dalla calza metallica delcavo stesso. Detta componente magnetica è trasferita al loop emittente che deve entrare inrisonanza con la frequenza ricevuta. A distanza di circa un paio di metri un loop ricevente deverisuonare esattamente alla stessa frequenza di quello emittente. A causa dell’elevato fattore di

merito dei due loop si crea una forte risonanza magnetica che consente un trasferimentoenergetico di circa un milione di volte più intenso rispetto 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 nuovamente trasferita per induzionemagnetica su un loop secondario a bassa impedenza, in grado di accendere una lampadina oalimentare qualche dispositivo portatile. È interessante osservare che in tutta la filiera di questosistema per il trasferimento energetico senza fili non c’è mai contatto elettrico tra i vari componenticostituenti, ma il tutto avviene sempre per induzione magnetica. Infine, se si interpone tra i loop unostacolo di consistenti dimensioni, anche metallico, come illustrato nella foto 3, l’energia del campomagnetico evanescente trasmesso arriva ancora a destinazione, mantenendo accesa la

lampadina. Questo aspetto, oltre che suggestivo, è significativo in termini di potenziali applicazioniche prevedono l’alimentazione di oggetti non direttamente in vista con la sorgente di ondeevanescenti.

FOTO 1 Il prototipo MIT per la trasformazione di energia in campo evanescente.

5.3 Punti ancora da risolvere e/o ottimizzare

Il successo di questo primo prototipo, pur suscitando motivata soddisfazione, non deve farscordare gli immancabili “punti deboli” ancora presenti. Occorre anzitutto operare un distinguo tra i

punti da perfezionare e quelli ancora da risolvere, dando ovviamente precedenza a quest’ultimi. Ipunti da risolvere sono comuni ai dimostratori MIT e TILab. In primis vi è quello della portata utiledel campo energetico evanescente. Come già ricordato gli effetti energetici di un’onda



evanescente sono percepibili sino ad un terzo della sua lunghezza d’onda, dopodiché essidecadono in modo esponenziale, vanificando bruscamente la resa del sistema. L’attuale efficienzadei dimostratori si estingue bruscamente oltre i due metri; ovviamente usando una frequenzaoperativa più bassa, ossia una lunghezza d’onda maggiore, questa portata utile aumenta, maoccorre poi fare i conti con le dimensioni dei loop per mantenere costante il loro guadagno. Altro

punto da risolvere è la completa soppressione della componente elettrica indesiderata del campolontano, sia per ragioni di impatto biologico verso persone ed animali sia per le possibiliinterferenze radio presenti sulla frequenza in uso del dimostratore. Detta componente indesiderataera inizialmente presente nei dimostratori MIT e TILab in misura di circa il 15% della potenzaapplicata; ora, con l’adozione del loop di accoppiamento magnetico di Faraday descritto inprecedenza, essa è scesa a circa il 5%, ma future azioni di schermatura all’intera strutturapotrebbero ulteriormente ridurre questo valore. I punti da perfezionare risiedono principalmentenella qualità dei loop. Siccome essi sono percorsi da frequenze piuttosto elevate, la distribuzione dienergia si manifesta principalmente sulla superficie esterna per effetto del SE (Skin Effect), ossiadell’effetto pelle. L’effetto pelle è la tendenza di una corrente elettrica alternata a distribuirsi dentro

un conduttore in modo non uniforme: la sua densità è maggiore sulla superficie ed inferioreall’interno. Questo comporta un aumento della resistenza elettrica del conduttore particolarmentealle alte frequenze. In altre parole, una parte del conduttore non viene utilizzata: è come se nonesistesse. Ne consegue una maggiore dissipazione di potenza a parità di corrente applicata o unaminore corrente a parità di tensione applicata. Sebbene i dimostratori visti tengano già in contodell’effetto pelle, facendo uso di loop in rame ad ampia sezione con l’interno cavo, si potrebbecompiere un ulteriore miglioramento delle prestazioni depositando sui medesimi un microstrato dimetallo nobile (tipicamente argento o oro). In questo modo la resistenza dei loop diminuirebbeulteriormente, incrementando il loro fattore di merito (Q) e, in ultima analisi, aumentandol’efficienza del trasferimento di energia.

6. Possibili ricadute appilcative del dimostratore

Si è visto che questa tecnologia necessita di ulteriori approfondimenti in termini di efficienza esicurezza; tuttavia già oggi alcune ricadute applicative per il dimostratore presentato sono giàpraticabili. Si pensi ad esempio di scalare distanza e dimensioni ed integrare il loop trasmissivo inuna scrivania, in un tablet od in qualunque altra superficie ergonomica col fine di alimentare senzafili una moltitudine di apparati a batterie semplicemente appoggiandoli su di essa. Ciòsignificherebbe liberarsi di caricatori, fili ed adattatori per le prese di rete. Un salto qualitativo ancorpiù interessante, da lato terminale mobile, sarebbe quello di eliminare addirittura la batteria,sostituendola con un piccolo loop ricevente collegato ad un ultracapacitore, ossia un’emergente

tecnologia per l’immagazzinamento dell’energia ricevuta; a differenza della batteria,l’ultracapacitore ha un ciclo di vita media enormemente maggiore, anche superiore al tempo mediod’utilizzo del terminale stesso. Oggi già si affacciano sul mercato dispositivi simili, basatisull’induzione magnetica ad alta frequenza, come quello mostrato nella foto 4, ma se fosseapplicata la metodologia del campo ad onde evanescenti con risonatori ad alto fattore di merito,sarebbe possibile, a distanza così ravvicinata, ottenere un’efficienza nettamente superiore condispersioni energetiche nell’ambiente circostante assolutamente trascurabili. Immaginiamo unsimile prodotto, commercializzato in bundle col telefonino marchiato TIM: oltre che utile, essorisulterebbe indubbiamente appealing per l’utente finale rafforzando la fidelizzazione delmedesimo. Guardando invece al medio termine, un dispositivo ad onde evanescenti potrebbe

risultare impareggiabile se applicato nel campo delle reti di sensori ed attuatori wireless. Perquest’ultime, infatti, Telecom Italia ed altri grandi operatori stanno investendo in ricerca perchè leWSN sono percepite come generatori di una miriade di nuovi servizi a valore aggiunto. Secondo



unanimi previsioni, nei prossimi 10, 15 anni i nodi radio delle WSN si conteranno a miliardi ed unaloro alimentazione a batterie è impossibile in termini economici, manutentivi ed ecologici; lawireless power transmission ad onde evanescenti potrebbero divenire la soluzione ottimale aquesto problema tuttora irrisolto.

7. Conclusioni

La trasmissione di energia senza fili effettuata tramite risonatori ad alta efficienza in un campo adonde evanescenti è finalmente passata dalla fase concettuale a quella prototipale. Gli esperimentieffettuati presso il MIT e TILab hanno avuto successo, consentendo un trasferimento energetico adistanze dell’ordine del paio di metri, con un’efficienza compresa tra il 15% ed il 40%. Il prototipoTILab ha dimostrato inoltre per primo che il trasferimento energetico è perturbato in modo minimoanche quando tra l’elemento emittente e quello ricevente sono interposti oggetti metallici,conferendo così al sistema notevole flessibilità operativa per sue eventuali future applicazioni.

Sicuramente si è ancora agli inizi e parecchie migliorie debbono essere intraprese in termini diefficienza e dimensioni dei loop, di impatto biologico e di interferenze col campo elettromagneticolontano cui altri dispositivi radio operano. Se questi problemi aperti saranno superati i campi diapplicazione della tecnologia qui presentata saranno sterminati; già ora una ricaduta applicativa èpossibile per quanto concerne la ricarica senza fili di telefonini, notebook ed altri dispositivimultimediali. Infatti, una soluzione molto semplificata del dimostratore presentato, prevedeun’integrazione del loop in qualunque superficie (tavoletta, scrivania od altri supporti ergonomici)rendendo così possibile un’efficientissima ricarica di qualunque dispositivo portatile semplicementeappoggiandolo su di essa. Sul medio termine, un dispositivo ad onde evanescenti potrebberisultare impareggiabile nell’ovviare all’uso delle batterie sia in ambito outdoor che indoor con un

positivo impatto in termini economici e manutentivi, ma soprattutto contribuendo a migliorarel’impatto ecologico, tema assai caro a Telecom Italia già da tempo impegnata sul fronte delrisparmio energetico.

ACRONIMI

ARRL American Radio Relay League

MIT Massachusetts Institute of Technology

MP3 MPEG Layer format 3

PDA Personal Digital Assistant

RFID Radio Frequency IDentification

SE Skin Effect

SPS Solar Power Satellite

TEM Transverse Electromagnetic Mode

VAS Value Added Services



WiTricity Wireless elecTricity

WSN Wireless Sensor Network I

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L’hanno chiamata «WiTricity», composizione delle parole “wireless” (senza filo) e “electricity Sitratta della possibilità di trasferire potenza elettrica senza fare uso degli abituali cablaggi. Ungruppo di ricercatori del Mit, capitanati da Marin Soljacic, l’ha sperimentata con successo,riuscendo ad accendere una lampadina da 60 W, inviandole energia attraverso lo spazio da oltredue metri di distanza. La storia comincia una notte fonda di qualche anno fa, quando Soljacic inpigiama fissa infastidito il cellulare che per l’ennesima volta l’ha svegliato, annunciando col suobip-bip che le batterie si stanno esaurendo. Sarebbe molto comodo, pensa allora il ricercatore, se

questi dispositivi provvedessero da soli alla ricarica, assorbendo l’energia necessaria senza ognivolta richiedere il collegamento via cavo a un alimentatore. Ma come? Così, prende il via lo studio.È noto che l’energia possa essere trasportata dalle onde elettromagnetiche, ma queste sidisperdono in ogni direzione, quindi vanno bene solo per trasmettere segnali deboli (poiamplificati), non per ricaricare batterie o accendere lampadine. Un laser è già meglio, dato cheinvia energia elettromagnetica concentrata in una direzione. Esso risulta tuttavia pericoloso,richiede un sofisticato meccanismo di puntamento e impone che non vi siano ostacoli lungo iltragitto. La soluzione del Mit si basa sul principio della risonanza. Immaginiamo una stanza pienadi bicchieri di cristallo variamente riempiti. Se produciamo con veemenza una nota musicale acuta,ad esempio con la voce, uno dei bicchieri può risuonare alla stessa frequenza, accumulando

porzioni crescenti di energia meccanica, anche fino a frantumarsi. Se emettiamo una notadifferente vibra un altro bicchiere. In pratica, solo l’oggetto con una data frequenza caratteristicareagisce alle onde sonore; gli altri restano inerti. La voce e il bicchiere che si scambiano energia



vengono detti “risuonatori”. Ebbene, il gruppo di Soljacic ha cercato dei risuonatori, ma non nelcampo meccanico, bensì in quello magnetico; e li ha trovati. Si tratta di due bobine in rame, diparticolare fattura e dimensione, che fungono rispettivamente da antenna trasmittente (la voce) ericevente (il cristallo). La prima è collegata alla sorgente elettrica e genera un campo magneticooscillante. A interagire sensibilmente a quest’ultimo è solo il secondo avvolgimento, il quale

aumenta progressivamente la propria tensione, alimentando un dispositivo elettrico. Il campomagnetico passa senza problemi oltre gli ostacoli e raggiunge il ricevitore anche se questo simuove. Inoltre, esso è di tipo non radiativo, il che significa che l’energia non sfruttata non sidisperde, ma resta in prossimità del trasmettitore; l’efficienza dell’esperimento è del 40%,tantissimo per una prima prova. Infine, il campo è puramente magnetico (non elettromagnetico) evibra a soli 10 Mhz: è quindi innocuo per i tessuti biologici. Siamo alle porte di un futuro in cui icellulari, i computer portatili o quant’altro si alimenteranno dall’etere e si caricheranno da soli.

Trasmissione di Potenza Wireless (WPT)

L’utilizzo dei campi elettromagnetici come fonte di energia elettrica risale alla fine dell’Ottocento,quando Nikola Tesla dimostrò per la prima volta la trasmissione di energia elettrica senza fili(Wireless Power Transmission – WPT). Di recente, grazie all’abbattimento dei costi diimplementazione e allo sviluppo di architetture a basso consumo, la trasmissione di energia senzafili si è imposta come la tecnologia abilitante per lo sviluppo di sistemi energeticamente autonomi,ossia sistemi privi di batterie a bordo o, comunque, senza necessità di collegamento alla reteelettrica.I vantaggi associati all’autonomia energetica di un generico dispositivo sono evidenti in tutte quelleapplicazioni in cui il dispositivo in questione non è ‘facilmente accessibile’ per la sostituzione dellebatterie o/e per la connessione dello stesso alla rete elettrica. Una categoria di dispositivi che beneevidenzia i vantaggi dell’utilizzo di una alimentazione wireless è sicuramente quella dei dispositiviimpiantabili. Infatti, oggi l’alimentazione di tali dispositivi viene implementata: 1) per mezzo dibatterie impiantate, 2) per mezzo di una connessione fisica ad una sorgente esterna. Nel primo

caso, l’utilizzatore del dispositivo impiantato deve sottoporsi a periodici interventi chirurgici per lasostituzione delle batterie (ad esempio, nel caso del pacemaker, la periodicità di questi interventi èdi circa 5 anni). Nel secondo caso, la situazione è anche più grave a causa della presenza di cavipassanti con possibili problemi di infezioni ed una enorme limitazione negli spostamenti.Si comprende, dunque, l’importanza di concentrare gli sforzi della ricerca sulla possibilità diimplementare una alimentazione di tipo wireless per questi dispositivi (e non solo), visti gli enormivantaggi in termini di qualità della vita che l’adozione di una siffatta tecnologia comporterebbe.

Il trasferimento wireless di energia può essere realizzato mediante un collegamento in campovicino o in campo lontano con la sorgente. Nel primo caso (near-field communications), il principio

adottato è quello dell’accoppiamento mediante induzione magnetica tra due risonatori, mentre nelsecondo (far-field communications) è sfruttata la propagazione delle onde elettromagnetichemediante l’utilizzo di antenne. In entrambi i tipi di collegamento l’energia elettromagnetica raccolta,



in un caso da un risonatore e nell’altro da un’antenna, viene convertita in corrente continuamediante un circuito di rettifica opportunamente disegnato. Per tale motivo, nel caso dicollegamento in campo lontano, l’intero sistema prende il nome directenna (rectifying antenna),ossia antenna che rettifica (Fig. 1).

Presso il

L’ElectroMagnetic Lab di Lecce (l’EML2) è attiva una divisione che sviluppa sistemi per latrasmissione wireless di potenza sia in campo vicino sia in campo lontano. Particolare attenzione èdedicata all’indagine di strategie di design che sfruttino supporti non convenzionali (quali i tessuti),al progetto di dispositivi indossabili e di dispositivi per applicazioni di biotelemetria (alimentazionewireless di dispositivi medici impiantati). Altri ambiti applicativi di interesse sono la conversione dienergia solare in corrente continua (nanorectenna) e l’alimentazione di sensori (ed in generale didispositivi a basso consumo di potenza) per applicazioni domotiche (home automation, smarthome).

Figura 1. Trasmissione wireless di potenza: a. collegamento in campo vicino; b. collegamento incampo lontano.

WPT: Near-field wireless link

Tra le linee di ricerca attive presso l’EML2 nell’ambito della trasmissione senza fili di energia, diparticolare interesse è l’utilizzo di sistemi risonanti accoppiati magneticamente per collegamenti incampo vicino. In particolare, questo tipo di approccio è investigato per applicazioni in ambito

biomedico per l’alimentazione wireless di dispositivi medici impiantabili. Infatti, una siffattatecnologia consentirebbe di alimentare dispositivi impiantati, quali il pacemaker, senza la necessitàdi utilizzare batterie o cavi che colleghino il dispositivo a sorgenti esterne (con rischi di infezioni).La Fig. 2 mostra il circuito equivalente di un link induttivo; sia il risonatore primario, collegato allasorgente, sia il risonatore secondario, connesso al dispositivo da alimentare, possono essereschematizzati come un circuito LC.

Figura 2. Circuito equivalente di un link induttivo.



In Fig. 3 è riportato un link induttivo a 500 MHz progettato e realizzato presso l’EML2. Nellospecifico, il link è costituito da due risonatori planari realizzati su un supporto a basso costo(comuni basette per PCB): il primo è collegato alla sorgente di potenza e opera al di fuori del corpoumano, mentre il secondo è collocato all’interno del corpo ed è direttamente collegato aldispositivo (Fig. 3a, 3b).In fase di caratterizzazione sperimentale, per valutare le prestazioni del

link induttivo proposto in presenza di tessuto umano, il risonatore secondario è stato circondato dauno strato di carne di maiale tritata (Fig. 3c). Infatti, alle frequenze di interesse, il macinato dimaiale esibisce le stesse caratteristiche elettriche della pelle e del muscolo umani.

In Fig. 3d è riportata la potenza ricevuta dal risonatore secondario con una potenza di trasmissionedi 1 W al variare della distanza del risonatore primario dalla superficie della carne. I risultatisperimentali ottenuti dimostrano che le potenze massime ottenute a valle del risonatore secondariosono sufficienti ad alimentare un dispositivo biomedico con consumi dell’ordine delle decine deimW, che rappresentano, ad esempio, i consumi tipici di un pacemaker.

Figura 3. Link induttivo proposto: a. prototipo risonatore primario,b. prototipo risonatore secondario,

c. setup di misura con il risonatore secondario inserito nel macinato di carne e il primarioall’esterno,

d. grafico della potenza ricevuta in funzione della frequenza operativa del segnale sorgente.

WPT:Far-field wireless link

Rispetto ad un collegamento in campo vicino basato sull’utilizzo di sistemi risonanti accoppiati

magneticamente (near-field link), la trasmissione wireless di potenza in campo lontano medianterectenne garantisce distanze operative maggiori (anche di alcuni metri utilizzando delle frequenzedell’ordine delle centinaia di MHz). Inoltre, una rectenna può essere utilizzata anche per il riciclodelle radiazioni elettromagnetiche emesse da telefoni cellulari, trasmissioni radio e WiFi. In talcaso, parleremo di energy harvesting o scavenging.La trasmissione wireless dell’energia o, più ingenerale, l’energy harvesting tramite rectenne, è una tecnologia a basso costo e impatto ecologicoe ambientale nullo, con innumerevoli risvolti applicativi. Inoltre, di recente, in virtù dei notevoliprogressi delle nanotecnologie, è stato riesaminato il concetto di antenna rettificante per un suoutilizzo nella conversione diretta di energia solare. Le rectenne solari si pongono ormai comevalida alternativa ai sistemi fotovoltaici grazie ai bassi costi di produzione, alla semplicità di

installazione e ai rendimenti teoricamente molto più elevati.



Alcuni dispositivi rectenna realizzati presso EML2

Figura 4. Prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l’EML2:

a. antenna;b. rettificatore;

c. collegamento antenna-rettificatore mediante apposito connettore;

d. prestazioni del prototipo in termini di efficienza di conversione

In Fig. 4 è mostrato un prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l’EML2 per loscavenging dell’energia elettromagnetica associata a sistemi di identificazione a radiofrequenza(RFID) in banda UHF (Ultra High Frequency). La rectenna è costituita da un’antenna planareprogettata con una particolare geometria per garantirne una considerevole riduzione delle

dimensioni, e da un semplice circuito di rettifica. Il sistema presenta un’efficienza superiore al 60%su un’ampia banda, come mostrato in Fig. 4d.

Altro range di frequenze d’interesse per la trasmissione wireless di potenza è rappresentato dallabanda ISM (Industrial, Scientific and Medical) centrata a 2.45 GHz. In Fig. 5 è mostrato un altroprototipo progettato e realizzato presso l’EML2 operante proprio in questa banda. In questo casol’antenna (un monopolo planare) e il rettificatore sono integrati sullo stesso substrato garantendo,in tal modo, un’ulteriore riduzione delle dimensioni. La massima efficienza di conversione RF-DC siottiene in corrispondenza di 2.45 GHz ed è pari al 45% (vedere Fig. 3c).



Figura 5. Prototipo di rectenna progettato e realizzato presso l’EML2: a. rectenna; b. dettagliorettificatore; c. prestazioni del prototipo in termini di efficienza di conversione.

Grazie allo sviluppo di architetture ultra low power, la tecnologia delle antenne rettificanti ben sisposa con le bassissime richieste energetiche dei sensori di una Wireless Body Area Network(WBAN), ossia di una rete di telecomunicazione “short range” formata da uno o più dispositivisenza fili, con consumi medi compresi tra 0.1 e 50 mW, posti all’interno o a contatto del corpoumano (parleremo, rispettivamente, di WBAN impiantabili o indossabili). A tal proposito, l’EML2 sioccupa della progettazione di rectenne tessili (Fig. 6), ossia rectenne realizzate su substrati non

tradizionali (ad esempio, materiali indossabili e cartacei) allo scopo di realizzare indumentiintelligenti, ossia dotati di sensori che permettano, ad esempio, il monitoraggio a distanza dellecondizioni fisiche di chi li indossa (telemedicina) o la segnalazione di eventuali pericolinell’ambiente.

Figura 6. Prototipo di rectenna indossabile progettato e realizzato presso l’EML2.

ESEMPI

Una soluzione compatta ed efficiente per la ricarica wireless

IC DI RICARICA –



Un nuovo circuito integrato offre tutto ciò che serve per realizzare un caricabatteria wirelesscompatto e molto efficiente. La tecnologia DHC di cui è dotato garantisce una distanza ditrasmissione molto lunga e insensibilità all’allineamento tra bobina di trasmissione e ricezione.

Le batterie forniscono potenza a molteplici applicazioni in diversi settori industriali, ma in molte diqueste applicazioni è difficile o addirittura impossibile usare un connettore di carica. Ad esempio,alcuni prodotti che operano in ambienti difficili hanno bisogno di un involucro sigillato perproteggere le parti elettroniche sensibili e facilitare la pulizia e la sterilizzazione. In altri casi iprodotti sono semplicemente troppo piccoli oppure è impossibile utilizzare cavi per la ricarica sel’applicazione alimentata a batteria prevede parti rotanti o mobili. La ricarica wireless aggiungevalore a queste e ad altre applicazioni e le rende più affidabili e robuste.

Panoramica dei sistemi di potenza wirelessUn sistema di potenza wireless è costituito da due partiseparate da un air gap: circuiti di trasmissione, tra cui una bobina di trasmissione, e circuiti di

ricezione, tra cui una bobina di ricezione. I circuiti di trasmissione generano un campo magneticoalternato ad alta frequenza intorno alla bobina di trasmissione. Tale campo viene accoppiato allabobina di ricezione e convertito in energia elettrica che si può utilizzare per caricare una batteria oalimentare altri circuiti. Uno dei parametri fondamentali di cui tenere conto quando si progetta unsistema di ricarica wireless è la quantità di corrente di carica che fornisce effettivamente energiaalla batteria. La potenza ricevuta dipende da molti fattori, tra cui la quantità di potenza datrasmettere, la distanza e l’allineamento tra le bobine di trasmissione e di ricezione (cioèl’accoppiamento tra le bobine) e, infine, la tolleranza dei componenti di trasmissione e ricezione.L’obiettivo principale di tutti i progetti di potenza wireless è garantire la fornitura della potenzanecessaria nelle condizioni di trasferimento più sfavorevoli. Altrettanto importante è evitare lo

stress elettrico e termico nel ricevitore nelle condizioni migliori. Ciò è particolarmente importantequando le esigenze in termini di potenza di uscita sono limitate, ad esempio quando la batteria ècompletamente carica o quasi carica. In uno scenario di questo tipo la potenza disponibile delsistema wireless è elevata, ma la domanda è bassa. Questo eccesso di potenza comporta tensioniraddrizzate elevate o la necessità di dissipare la potenza in eccesso sotto forma di calore. Esistonodiversi modi per gestire la potenza in eccesso quando il ricevitore ne richiede poca. La tensioneraddrizzata può essere bloccata con un diodo Zener o un transorb, ma normalmente questasoluzione è di grandi dimensioni e genera un notevole calore. In assenza di feedback dalricevitore, è possibile ridurre la potenza massima del trasmettitore; questa soluzione, tuttavia,comporta una limitazione della potenza ricevuta disponibile o una riduzione della distanza ditrasmissione. Oppure si può ritrasmettere la potenza al trasmettitore e regolare di conseguenza lapotenza di trasmissione in tempo reale; questa tecnica viene utilizzata dagli standard dialimentazione wireless come il Qi del Wireless Power Consortium. Un altro modo per risolverequesto problema consiste nell’adottare una soluzione compatta ed efficiente, senza ricorrere a



complicate tecniche di comunicazione digitale. Per gestire in modo efficiente il trasferimento dipotenza dal trasmettitore al ricevitore con qualsiasi condizione, il ricevitore di potenza wirelessLTC4120 è dotato di una tecnologia brevettata di PowerbyProxi, partner di Linear Technology,denominata Dynamic Harmonization Control che consente la carica contactless, evitando problemitermici e stress elettrici nel ricevitore. Grazie a questa tecnologia è possibile trasmettere fino a 2 W

a una distanza massima di 1,2 cm. Modulando la frequenza di risonanza del ricevitore da“regolata” a “non regolata”, la tecnologia Dhc garantisce l’erogazione di potenza in presenza dellecondizioni peggiori, senza doversi preoccupare delle condizioni migliori senza carico. Questoconsente al sistema di carica wireless basato sull’LTC4120 di operare su una distanza ditrasmissione lunga, grazie alle bobine con accoppiamento allentato. Inoltre, controllando iltrasferimento di potenza solo sul lato del ricevitore, il sistema basato sull’LTC4120 risolve eventualiproblemi di interferenza nelle comunicazioni che potrebbero comportare una perdita di potenza.

Le prestazioni del sistema

La quantità di potenza di carica della batteria proveniente da un ricevitore di potenza wireless

LTC4120 può variare con la separazione dell’allineamento da centro a centro tra la bobina ditrasmissione e quella di ricezione. Con una divisione di 10 mm, sono disponibili 2 W di potenza dicarica e le bobine possono essere disallineate senza che questo comporti una riduzione eccessivadella potenza disponibile. Sebbene esistano molti tipi di trasmettitori di potenza wireless,generalmente viene usato un trasmettitore Dc-Ac base. Il trasmettitore base è un design diriferimento ‘open-source’. La scelta del trasmettitore comporta l’analisi di diversi fattori: la potenzain stand-by (quando il ricevitore non è presente) del trasmettitore è importante? Il trasmettitoredeve distinguere tra un ricevitore valido e oggetti metallici estranei? Quanto sono sensibili i circuiticircostanti alle interferenze elettromagnetiche? Il trasmettitore base è una soluzione moltosemplice e poco costosa. Grazie al filtro di risonanza passivo, lo spettro delle interferenze

elettromagnetiche è ben controllato alla frequenza del trasmettitore fondamentale (circa 130kHz).Ma siccome trasmette a piena potenza, a prescindere dalla presenza o meno di un ricevitorebasato sull’LTC4120, la sua potenza in standby è relativamente alta. Esso inoltre non distingue traun LTC4120 e oggetti metallici estranei che possono riscaldarsi a seguito di correnti di Focaultindotte. PowerbyProxi offre due trasmettitori di tipo standard: Proxi-Point e Proxi-2D. I dati relativialla distanza di trasmissione e alla tolleranza di allineamento sono praticamente identici a quelli diun trasmettitore base, però questi dispositivi più avanzati sono in grado di rilevare la presenza diun ricevitore valido basato sull’LTC4120. Questa caratteristica consente loro di ridurre la potenzain standby, in caso di assenza del ricevitore, e di interrompere il trasferimento di potenza in caso divicinanza di oggetti metallici estranei.

Grazie alla topologia di commutazione buck ad alta efficienza del caricatore LTC4120 e allatecnologia Dhc, l’efficienza complessiva del sistema è del 50-55% circa. Per calcolare questovalore basta dividere la potenza di carica della batteria per la potenza di ingresso Dc deltrasmettitore. L’efficienza complessiva dipende dall’accoppiamento e dal carico. Durante la caricadi una batteria agli ioni di litio a cella singola a 400 mA, i componenti della scheda del ricevitorebasato sull’LTC4120 si trovano a una temperatura non superiore a 10°C rispetto alla temperaturaambiente.

Altre considerazioni sul sistema

Il sistema di carica wireless basato sull’LTC4120 può ricaricare una batteria a 400 mA all’interno diun gap notevole. La batterie ricaricabili al litio alimentano molte applicazioni portatili; sia i pacchi1S (nominale 3,7 V), sia i pacchi 2S (nominale 7,4 V) sono molto diffusi. Un ciclo di vita più lungo e



caratteristiche di sicurezza migliori hanno contribuito a creare uno spazio notevole nel mercatoanche per la batterie LiFePO4. Inoltre esiste un’ampia varietà di tensioni di carica target in questipacchi di batterie perché i clienti mettono a punto nel tempo i trade-off tra capacità della batteriainiziale, ciclo di vita e capacità trattenuta. L’LTC4120 non ha bisogno di altri circuiti per caricare lebatterie agli ioni di litio a 1 e 2 celle o le batterie LiFePO4 a 1, 2 o 3 celle. È possibile programmare

la corrente di carica da 50mA a 400mA e la tensione di carica da 3,5 V a 11 V. Oltre a un algoritmodi carica integrato a corrente/tensione costante, l’LTC4120 offre diverse funzioni di sicurezza per labatteria. Un timer di terminazione conclude in sicurezza il ciclo di carica, mentre un ingresso NTCgarantisce il monitoraggio della temperatura della batteria e interrompe automaticamente la caricain caso di anomalie nella temperatura; infine due pin forniscono informazioni sul ciclo di carica e sueventuali guasti.

Compattezza ed efficienza

La carica wireless può aggiungere valore a molti tipi di applicazioni e renderle più affidabili erobuste. È importante conoscere la quantità di potenza richiesta dall’applicazione, oltre che la

distanza di trasmissione della potenza e il tipo di tolleranza dell’allineamento. Spesso la partemeno complicata è stabilire come affrontare le condizioni peggiori della potenza di carico massima,con un accoppiamento minimo tra il trasmettitore e il ricevitore. La parte difficile è gestire lapotenza in eccesso disponibile quando il carico è basso o inesistente, con un accoppiamentomassimo. Per risolvere questi problemi, Linear Technology ha creato l’LTC4120, un nuovo circuitointegrato che offre tutto ciò che serve per realizzare un caricabatteria wireless compatto e moltoefficiente. La tecnologia DHC di cui è dotato offre una distanza di trasmissione molto lunga einsensibilità all’allineamento tra bobina di trasmissione e ricezione. L’LTC4120 è una partefondamentale del sistema di carica contactless.

Trasferimento senza fili di energia: come funziona, i problemi da risolvere e i primi

caricabatterie wireless in uscita sul mercato

I ricercatori del MIT hanno proposto un modo per dire addio ai normali caricabatterie a filo che ogni

giorno siamo costretti ad usare per dare energia ai nostri cellulari, lettori mp3, portatilo oquant’altro ha bisogno di essere usato in mobilità. In pratica la ricarica dei dispositivi portatilipotrebbe avvenire senza la presenza di cavi ma tramite una tecnologia di irradiazione: siamodinanzi ad un vero e proprio sistema di ricarica wireless!

“Siamo bravissimi a trasmettere informazioni senza fili” dice Marin Soljačić, professore di fisica alMIT. Ma, aggiunge, storicamente è molto più difficile trasmettere energia ai dispositivi nello stessomodo. Soljačić e i suoi colleghi Aristeidis Karalis e John Joannopoulos hanno lavorato ad unoschema teorico per il trasferimento senza fili di energia che carichi dispositivi nel raggio di un paiodi metri da una “stazione energetica” sistemata in corrente.



Come funziona il trasferimento senza fili di energia

Il fenomeno che sta alla base di questa idea è quello dell’accoppiamento induttivo che avviene

quando una corrente elettrica passa attraverso un normale cavo: intorno ad esso si forma uncampo magnetico, e a sua volta questo campo induce una corrente nel cavo vicino. Ormai da 200anni gli scienziati sanno bene che per trasferire energia elettrica non vi è bisogno di cavi in direttocontatto. I motori elettrici e i trasformatori, ad esempio, dispongono di bobine che si scambianoenergia sfruttando l’induzione elettromagnetica. Molto più tardi è stato scoperto lo stessofenomeno nelle onde radio e nella luce. Ma il trasferimento da un punto ad un altro, tramite laradiazione elettromagnetica, è estremamente inefficiente perché le onde tendono a diffondersi inogni direzione facilitando la dispersione ambientale.

Soljacic, quindi, ha pensato che l’induzione a corto raggio all’interno di una trasformatore potrebbeessere migliorata e portata a coprire distanze più ampie. Invece di irradiare l’ambiente con ondeelettromagnetiche, un trasmettitore potrebbe creare un campo di onde “nonradiative”, ovvero dinon irradiazione, che permetterebbe di mantenere l’energia vicina fino a quando un altro oggettonon entri in “risonanza” con il campo stesso. In pratica, un qualsiasi gadget dovrebbe solosincronizzare la sua frequenza con quella delle sorgente per ricevere energia e ricaricarsi.

Per creare un raggio più vasto, i ricercatori propongono uno schema completamente nuovo. Inesso, una “stazione energetica” collegata alla rete elettrica emette una radiazione elettromagneticaa bassa frequenza tra i 4 e i 10 megahertz, spiega Soljačić. Un ricevitore posto nel gadget (ad

esempio un lettore mp3) può essere disegnato per ‘ricevere’ alla stessa frequenza emessa dalla“stazione energetica”. Quando ciò avviene nel raggio di un paio di metri, l’oggetto ‘assorbe’l’energia e si ricarica: naturalmente per un oggetto ‘non predisposto a ricevere’ non avviene nulla!



I problemi dell’alimentazione wireless

L’indubbio vantaggio dei sistemi di alimentazione wireless èquello della universalità, potendo caricare con un solo dispositivo attaccato alla rete elettricaun’ampia gamma di dispositivi, senza dover ricorrere al trasformatore proprietario, come ogniaccade anche troppo spesso

Uno dei primi problemi che i ricercatori dovranno presto risolvere se si vorrà davvero avere la tantoagognata universalità, è quello di sviluppare un’elettronica per imparare a gestire le combinazionidiverse della vita reale. Un cellulare che ha bisogno di 5 volt, un altro che invece si ricarica connon meno di 7, senza contare la macchina fotografica che non si accontenta di nient’altro che di 12volt pieni.Combinazioni che i ricercatori devono imparare a gestire, e che rendono la fase finale dellaprogettazione della base quella più complessa. Una volta completata, toccherà ai ricevitori, sorta dimicro-antenne, da integrare nei dispositivi: dovranno essere abbastanza piccoli da poter essereinseriti agevolmente nel layout attuale degli apparecchi, ma altrettanto efficienti per svolgere il lorocompito.

Un altro problema da non sottovalutare è presente sui ricevitori: il surriscaldamento! Infatti, a causadelle ridotte dimensioni, alcuni componenti che permetterebbero di frenare l’aumento ditemperatura nella batteria in carica non possono essere utilizzati, non permettendone, quindi, ilpieno utilizzo durante la fase di ricarica del dispositivo a causa dell’eccessivo calore generatodurante la trasmissione/ricezione di energia!

Il dispositivo dell’Università della Florida

Ma dopo la teoria del MIT, sembra che finalmente l’arrivo sul mercato di sistemi di ricarica wirelesspotrebbe essere davvero vicino: infatti, i ricercatori dell’Università della Florida sostengono di averrealizzato uno schema molto efficiente, capace di trasferire fino al 70 per cento dell’energiaassorbita dalla rete ai dispositivi posti sulla superficie attiva. Il meccanismo di base costituito unapiastra quadrata o rettangolare, sopra cui appoggiare cellulari, lettori MP3 e qualsiasi altro gadgetelettronico ci sia in giro per casa. La novità, oltre alle ridotte dimensioni e peso, è anche l’assenzadi un elemento ferromagnetico tipico del design dei caricabatterie ad induzione.

Il dispositivo Epson muRata

Nel frattempo, Epson e muRata hanno stretto un accordo per arrivare allo sviluppo di un caricabatterie wireless. Oltre a liberare dalla schiavitù del filo, il nuovo sistema di ricarica degliaccumulatori dovrebbe garantire anche tempi di ricarica inferiori, addirittura pari a 10/15 minuti.

La tecnologia utilizzata è quella di Seiko Epson denominata AirTrans, che include sistemi diriconoscimento di oggetti estranei e di autenticazione, in modo da fornire energia nel modo piùsicuro possibile. Murata si occuperà della produzione della batteria a ricarica veloce, fondamentale



per sfruttare la corrente di più di 3 A fornita dal carica batterie. Nonostante la corrente in gioco nonsia irrisoria pare che i produttori garantiscano un riscaldamento nullo dell’accumulatore in fase diricarica, con conseguenti benefici per la sicurezza.

Il dispositivo Powercast

Intanto Powercast ha adottato una tecnologia quanto mai simile a quella teorizzata dal MIT loscorso autunno. Sebbene sia stata mostrata come una soluzione di “alimentazione wireless“, latecnologia Powercast è molto di più di un caricatore universale perché è in grado di operarecontinuamente rimpiazzando, volendo, le stesse unità a batteria.

In sostanza, un trasmettitore può essere integrato in ogni oggetto, come ad esempio una lampada.Da questo viene emesso continuamente un segnale a basse radio-frequenze. Nel rispetto delraggio di copertura, un qualsiasi dispositivo dotato del ricevitore specifico può essere “ricaricato”costantemente.

Interessante anche le applicazione per i PC: l’idea è quella di realizzare tastiere e mouse wirelesssenza batteria, oppure di ricaricare costantemente ma senza alcun filo i notebook distanti pochimetri dalla sorgente.

Il dispositivo Slashpower

Anche Splashpower, una società creata da uno spin-off della Università di Cambridge, ha creatoun tappetino che può alimentare e ricaricare qualsiasi gadget elettronico.

Nanobatterie con ricarica wireless permetteranno di rivoluzionare il campo dei dispositivi

impiantabili

“Il maggiore ingombro dei dispositivi impiantabili è ormai dovuto solamente alle batterie” mi ècapitato di sentir dire nel corso di questi anni di studio.

Sembra ora che questo svantaggio possa essere superato grazie ad una ricerca dell’Università diStanford. Infatti, un gruppo di scienziati ha impiantato un minuscolo pacemaker in un coniglio;questo dispositivo, grande quanto un chicco di riso, è stato poi ricaricato in modalità wireless.



“Vi è la necessità di rendere questi dispositivi molto piccoli, in modo che possano esserefacilmente impiantati nel corpo umano creando nuovi trattamenti per le malattie e per alleviare ildolore,” precisa Ada Poon, assistente universitario in Ingegneria Elettrica dell’Università diStanford in America.

Una volta inserita la nanobatteria all’interno del corpo, sarà poi possibile ricaricarla mediante unapiastra metallica mantenuta al di fuori del corpo, posata sulla superficie. Essa permette di inviare icampi elettromagnetici alla batteria sotto forma di fascio, in modo da incrementare la trasmissionedi energia e senza creare danni ai tessuti attraversati dalle onde. Alla base di questa ricaricawireless in campo vicino vi è l’accoppiamento induttivo, utilizzando una struttura a due bobine.

Tuttavia, anche in questo modo, la potenza trasmessa al dispositivo è pari a soltanto un quarto diquanto è necessario per alimentare un pacemaker umano. Ad oggi, infatti, i pacemaker modernihanno una batteria che può durare anche dieci anni.Nel caso in cui queste ricerche abbiano successo e possano essere applicate anche sugli uomini,sarebbero innumerevoli le applicazioni che potrebbero avere: a partire dalla stimolazione elettricadi nervi ben precisi per il trattamento di epilessia o dolore cronico, fino al trattamento della sorditàcon gli impianti cocleari.



LA «RICARICA» DIVENTA WIRELESS PER L’AUTO ELETTRICA

Toyota inizia la fase di test del sistema wireless che può «rifornire» di energia le batterieutilizzando la tecnologia a risonanza magnetica

•• Quasi senza ce ne accorgessimo, l’auto elettrica è ormai entrata nel sistema di vita collettivo.Vedere nel traffico una vettura procedere silenziosamente, non ci meraviglia più, così come potevainvece accadere fino a cinque, sei anni fa. Nemmeno più sorprende vedere la fila davanti lecolonnine di ricarica delle batterie, e non si contano le disavventure legate alla disperata ricerca diun posto dove fare il «pieno di corrente».

I lettori meno giovani ricorderanno ancora lo stupore e la meraviglia con cui, negli anni ‘80 e ‘90, siassisteva al passaggio delle rarissime, futuristiche Zele 1000, e delle meno rare, ma tutt’altro che

prestazionali, Fiat Panda Elettra (finanziate da noi cittadini!).

La musica, ed è il caso di dirlo, oggi è cambiata. Ed è una musica che ha il suono gradevole eregolare dei motori in tensione, del fruscio appena percepibile degli pneumatici in movimento, e delgarbato fischio dei sistemi di frenatura elettrica. Ma come in tutte le cose, c’è il cosiddetto rovesciodella medaglia. Un rovescio che, come ben sa chi si sia trovato almeno una volta a utilizzare - enon per un giro di pochi minuti - un’elettrica, trova la sua ragion d’essere negli inevitabili problemidi infrastruttura, chiaramente derivati dalla difficoltà di trovare - in città come altrove, o sulle stradedi grande comunicazione - adeguati spazi e sistemi per provvedere alla ricarica delle autoelettriche. Perché anche se le prestazioni e i livelli di autonomia chilometrica cresconoprogressivamente con gli affinamenti tecnologici, non sono pochi i potenziali clienti dell’elettrico



costretti per ora a rinunciarvi, e proseguire nell’uso di auto convenzionali a motore termico. Noncerto per un problema di mentalità o di costo, bensì per insolubili difficoltà connesse alla ricarica.

Il problema di fondo, come ben sanno gli addetti ai lavori, non è certo correlato alla reperibilitàdegli spazi (molte aree di sosta e di servizio sono già pronte a essere riconvertite alla bisogna), madipende strettamente dai tempi (ovvero dalla necessità di tenere fermo il veicolo, fin quando lebatterie non saranno nuovamente cariche), e dalla possibilità di effettuare le operazioni il piùrapidamente e agevolmente possibile. Non sempre, infatti, si rivelano pratiche e confortevoli leoperazioni di inserimento del cavo di ricarica nell’apposita presa. Per non dire, poi, dei rischiinsidiosi che il cavo possa essere sottratto dai soliti ignoti, e del dover lasciare comunque l’autoincustodita nelle ore notturne (per ovvie ragioni, preferibili in fase di ricarica).

Toyota inizia i test del sistema wireless

Una delle linee guida su cui il mondo della tecnologia e dell’automotive convergono, porta allosviluppo dei sistemi di ricarica wireless, ovvero senza necessità di cavi o altro genere diconnessione. Le sperimentazioni in fase di laboratorio sono ormai giunte a un livello avanzato eToyota Motor Corporation (TMC) ha appena annunciato che, a fine febbraio, comincerà ad Aichi, inGiappone, i test del sistema wireless di ricarica delle batterie. Il sistema Toyota, recentementesviluppato per veicoli equipaggiati con trasmissione elettrica, come i veicoli plug-in ibridi e i veicoli

totalmente elettrici, può ricaricare un veicolo parcheggiato su un induttore integrato nella superficiedella piazzola di sosta. Il processo di ricarica diventa così più semplice e conveniente.



Come funziona?

Sistema Wireless di Ricarica delle batterie - Specifiche tecniche

Metodo di ricarica: risonanza magnetica

Frequenza: 85 kHz

Voltaggio: AC 200 V

Potenza di carica: 2 kW

Tempo di ricarica: circa 90 minuti

Il sistema di ricarica usa la tecnologia a risonanza magnetica, che trasmette elettricità utilizzandola risonanza derivante dalle variazioni di intensità del campo magnetico tra l’induttore sul terreno,che trasmette, e un induttore nel veicolo, che riceve. Il sistema può ridurre - automaticamente - leperdite nell’efficienza della trasmissione di potenza, che potrebbero essere causate da undisallineamento o da differenze di altezza tra l’induttore che trasmette e quello che riceve.Sviluppato pensando alle esigenze del futuro, il sistema è progettato per ridurre al minimo leinterferenze elettromagnetiche su apparecchi vicini. Non è peraltro indispensabile che

l’allineamento del veicolo sia impeccabile: l’induttore installato a terra è strutturato in modo tale dapoter sopportare il peso di un veicolo. Inoltre, per permettere al guidatore di parcheggiare inposizione ottimale per le operazioni di ricarica, Toyota ha sviluppato un nuovo sistema diassistenza al parcheggio che mostra la posizione dell’induttore nell’area di parcheggio. La nuovafunzione è abbinata al sistema di bordo «Toyota Intelligent Parking Assist».

Le operazioni di test, che dureranno un anno, coinvolgeranno tre veicoli ibridi plug-in in uso pressoAichi. I test valuteranno la soddisfazione del guidatore, la facilità di uso del sistema, i livelli didisallineamento e il comportamento di ricarica, come l’intensità di frequenza e la ricaricaprogrammata da un timer. I risultati dei test saranno usati per sviluppare ulteriormente questatecnologia, in prospettiva dell’obiettivo finale della commercializzazione in serie.

Per la filosofia Toyota - che nel 1997 fu la prima, nel mondo, a lanciare in grande serie l’auto ibrida- è solo la commercializzazione in vasta scala che può contribuire a promuovere l’uso di veicoli a



trazione elettrica e aiutare, di riflesso, a rendere la mobilità intelligente più facile da utilizzare, piùattenta all’ambiente, e accessibile a chiunque.

Carica wireless

Un'idea che sta generando sempre maggiore interesse in vari campi.Utilizza un campoelettromagnetico per trasferire energia tra due oggetti; l'energia viene inviata attraverso la bobinadel trasmettitore a quella del ricevitore dove viene trasformata in una tensione utile a ricaricare lebatterie di uno smartphone, un tablet, una consolle di gioco portatile, un navigatore o alimentarequalsiasi altro apparato elettronico.I campi di utilizzo sono tutti quelli in cui è necessario untrasferimento di energia senza utilizzo di conduttori quindi con un isolamento galvanico tratrasmettitore e ricevitore con una distanza massima tra le bobine di 8mm.Il trasmettitore deveessere alimentato con una tensione in continua da 19v 300mA; in uscita dal ricevitore si avranno5V 1A.

L’utilizzo dei campi elettromagnetici come fonte

di energia elettrica risale alla ne dell’Ottocento,

quando Nikola Tesla dimostrò per la prima volta la

trasmissione di energia elettrica senza li (Wireless

Power Transmission - WPT). Di recente, grazie all’ab-

battimento dei costi di implementazione e allo sviluppo di archi-

tetture a basso consumo, la trasmissione di energia senza li si è

imposta come la tecnologia abilitante per lo sviluppo di sistemi

energeticamente autonomi, ossia sistemi privi di batterie a bordo

o, comunque, senza necessità di collegamento alla rete elettrica. I

vantaggi associati all’autonomia energetica di un generico dispo-

sitivo sono evidenti in tutte quelle applicazioni in cui il dispositivo

in questione non è‘facilmente accessibile’, per la sostituzione delle

batterie o/e per la connessione dello stesso alla rete elettrica. Un

fattore chiave nella trasmissione wireless di energia è l’e cienza:

per poter de nire e cace il sistema, una grande porzione dell’e-

nergia trasmessa dal generatore deve arrivare al dispositivo di

ricezione remoto.

Le condizioni ideali

Iltrasferimentodienergiaelettricasibasasulconcettodirisonanza,



che si ha quando due corpi che vibrano alla stessa frequenza, sta-

biliscono tra loro condizioni ideali per un trasferimento di energia.

E ciò senza avere alcun e etto sugli altri oggetti che li circon-

dano, compresi gli esseri viventi. All’inizio non era né chiaro né

ovvio se il sistema potesse realmente funzionare, soprattutto

per i limiti imposti dai materiali attualmente disponibili. Oggi,

ricerche e studi in corso stanno valutando la possibilità di ali-

mentare senza cavi addirittura piccoli elettrodomestici di casa.

Alla base del progetto ci sono dunque due principi sici: la legge

della mutua-induzione e la capacità delle onde radio di trasfe-

rire energia se convogliate su di una antenna. I tipi di processi di

accoppiamento induttivo che possono essere utilizzati per il tra-

sferimento wireless, sono l’accoppiamento induttivo standard e

l’accoppiamento induttivo risonante. Generalmente, l’accoppia-

mento induttivo standard è molto meno e ciente e praticabile

a una distanza di comunicazione relativamente breve, in quanto

la maggior parte del usso magnetico non ‘collega’ direttamente

le due bobine (notevoli sono i ussi dispersi) e inoltre i campi

magnetici decadono velocemente. L’accoppiamento induttivo

risonante o re una maggiore e cienza e funziona anche a di-

stanze relativamente lunghe (vari metri), dato che la bobina ri-

sonante riduce sensibilmente le perdite di energia consentendo

il trasferimento dell’energia da una bobina all’altra. In pratica il

trasferimento wireless di energia può essere realizzato mediante

un collegamento in campo vicino o in campo lontano con la sor-

gente. Nel primo caso (near- eld communication), il principio

adottato è quello dell’accoppiamento mediante induzione ma-gnetica tra due risonatori, mentre nel secondo (far- eld communi-



cation) è sfruttata la propagazione delle onde elettromagnetiche

mediante l’utilizzo di antenne. In entrambi i tipi di collegamento

l’energia elettromagnetica raccolta, in un caso da un risonatore

e nell’altro da un’antenna, viene convertita in corrente continua

mediante un circuito di retti ca opportunamente progettato. Per

tale motivo, nel caso di collegamento in campo lontano, l’intero

sistema prende il nome di rectenna (rectifying antenna), ossia an-

tenna che retti ca ( gura 1).

Accoppiamento induttivo

L’accoppiamento induttivo standard utilizza invece due condut-

tori considerati accoppiati induttivamente in modo reciproco

o accoppiati magneticamente in modo da sfruttare il principio

dell’induzione elettromagnetica: ovvero quando un usso ma-

Fig. 1 - Trasmissione wireless di potenza: collegamento in

campo vicino (sopra) e collegamento in campo lontano (sotto)



Fig. 1 - Trasmissione wireless di potenza: collegamento in

campo vicino (sopra) e collegamento in campo lontano (sotto)

gnetico variabile nel tempo investe un conduttore elettrico (per

esempio una bobina), viene indotta, nel conduttore stesso, una

forza elettromotrice (f.e.m.) proporzionale alla rapidità con cui il

usso‘taglia’il conduttore. In pratica nasce una tensione variabile

ai capi della bobina investita da tale usso. Il livello di accoppia-

mento indotto fra i conduttori è rappresentato dalla loro mutua

induttanza. Questa forma di accoppiamento induttivo è e cace

per le sorgenti di energia a bassa frequenza e a corto raggio. L’in-

terconnessione wireless tramite accoppiamento induttivo stan-

dard ha lo svantaggio di raggiungere le prestazioni più elevate

a bassa potenza e con piccole dimensioni. Nell’accoppiamento

induttivo risonante, la risonanza viene utilizzata per aumentare

la distanza alla quale può essere e ettuato un trasferimento ef-

ciente di energia. A medio raggio, il trasferimento wireless di

energia elettrica in campo vicino può essere e ettuato utilizzando

un accoppiamento induttivo risonante, che, in modo analogo al

precedente, utilizza una struttura a due bobine. Queste sono sin-

tonizzate in modo da risonare alla stessa frequenza e produrreun trasformatore di risonanza o risonante, con un trasferimento



di energia fra le due bobine. In particolare nel caso di un link

near- eld communication sia il risonatore primario, collegato alla

sorgente, sia il risonatore secondario, connesso al dispositivo da

alimentare, possono essere schematizzati come un circuito LC

( gura 2). A livello indicativo la potenza ricevuta dal risonatore se-

condario, con una potenza di trasmissione di 1 W al variare della

distanza del risonatore primario (alcuni cm) e dalla frequenza di

risonanza (ordine di MHz), può essere dell’ordine di qualche de-

cine dei mW, che rappresentano, ad esempio, consumi tipici di un

piccolo dispositivo elettronico.

Rispetto ad un collegamento in campo vicino basato sull’u-

tilizzo di sistemi risonanti accoppiati magneticamente, la tra-

smissione wireless di potenza in campo lontano (far-field

communication) mediante rectenne, garantisce distanze ope-

rative maggiori (anche di alcuni metri utilizzando delle fre-

quenze dell’ordine delle centinaia di MHz). Inoltre, una rectenna

può essere utilizzata anche per ‘riciclare’ radiazioni elettro-

magnetiche emesse da telefoni cellulari, trasmissioni radio e

WiFi. In tal caso, parleremo di Energy Harvesting o Scavenging.

La trasmissione wireless dell’energia, in questo caso, rappresenta

una tecnologia a basso costo e impatto ecologico e ambientale

nullo, con innumerevoli risvolti applicativi. Inoltre, di recente, in

virtù dei notevoli progressi delle nanotecnologie, è stato riesami-

nato il concetto di antenna retti cante per un suo utilizzo nella

conversione diretta di energia solare. Le rectenne solari si pon-

gono ormai come valida alternativa ai sistemi fotovoltaici grazie

ai bassi costi di produzione, alla semplicità di installazione e ai

rendimenti teoricamente molto più elevati. Oggi esiste uno stan-dard per caricare i dispositivi a bassa potenza grazie al Wireless



Power Consortium (WPC) che venne istituito nel 2008 per progre-

dire nella standardizzazione della tecnologia di ricarica wireless.

Lo standard crea interoperabilità fra i dispositivi che forniscono e

ricevono l’alimentazione.

Al momento lo standard si sta estendendo anche alle applicazioni

a media potenza. Sebbene le speci che originali a bassa potenza

forniscano alimentazione no a 5 W, quelle a media potenza sono

studiate per fornire alimentazione no a 120 W, ampliando enor-

memente il numero di applicazioni ( gura 3).

Fig. 3 - Esempio

di ricarica di tutti

i dispositivi

di bassa potenza

in ambiente

domestico

Dispositivi impiantabili

Una categoria di dispositivi che bene evidenzia i vantaggi dell’u-

tilizzo di una alimentazione wireless, è sicuramente quella dei

dispositivi impiantabili (settore Bioingegneria). Oggi infatti, l’ali-

mentazione di tali dispositivi viene implementata per mezzo di

batterie impiantate o per mezzo di una connessione sica a unasorgente esterna. Nel primo caso, l’utilizzatore del dispositivo



impiantato deve sottoporsi a periodici interventi chirurgici per la

sostituzione delle batterie (ad esempio, nel caso del pacemaker,

la periodicità di questi interventi è di circa cinque anni), nel se-

condo caso, la situazione è anche più grave a causa della presenza

di cavi passanti con possibili problemi di infezioni e una enorme

limitazione negli spostamenti. Da questo semplice esempio si

comprende, quindi, l’importanza di concentrare gli sforzi della ri-

cerca sulla possibilità di implementare una alimentazione di tipo

wireless per questi dispositivi (e non solo), visti gli enormi vantaggi

in termini di qualità della vita che l’adozione di questa innovativa

tecnologia comporterebbe. Emerge quindi un crescente interesse

per le potenzialità dell’alimentazione wireless, soprattutto per ap-

plicazioni innovative, incluse quelle in cui i dispositivi o i prodotti

possono essere alimentati o ricaricati letteralmente mentre sono

sugli sca ali o esposti in vetrina! Per esempio, ci potrebbero essere

riviste intelligenti munite di chip, progettate per attirare l’atten-

zione dei potenziali acquirenti e aumentare il loro interesse grazie

a elementi luminosi sulla copertina, alimentati senza bisogno di

li rimanendo sempre sullo sca ale, oppure giocattoli a batteria

che si ricaricano in modo autonomo, sempre pronti per eventuali

dimostrazioni.

Fig. 2 - Circuito

equivalente di

un link

induttivo-

capacitivo



Fig. 3 - Esempio

di ricarica di tutti

i dispositivi

di bassa potenzain ambiente

domestico

Ricaricare dispositivi mobili

Un’altra applicazione estremamente interessante (soprattutto

commercialmente) è quella di caricare gli smartphone o altri di-

spositivi consumer portatili utilizzando una custodia di ricarica

wireless collocata sul dispositivo che contiene la citata tecnologia:

cioè una delle bobine utilizzate nel concetto di accoppiamento

induttivo, per consentire il trasferimento wireless di energia.

Possono nascere quindi ‘tavoli’ di ricarica induttiva a luce solare,

per esempio, capaci di caricare tutti i dispositivi portatili che vi

vengono appoggiati. Un prodotto di questo genere potrebbe

diventare molto popolare in ristoranti, bar o sale d’attesa degli

aeroporti e in tutti i luoghi pubblici in cui le persone sarebbero



ben felici di poter ricaricare i propri dispositivi mobili. Un altro

settore di impiego entusiasmante è quello della ricarica wireless

dei veicoli elettrici, grazie a punti di ricarica collocati nei garage o

nei parcheggi pubblici. A lungo termine si cercherà di sviluppare

una versione di ricarica che potrebbe rendere possibile l’integra-

zione di piastre di caricamento lungo le strade pubbliche, così da

ricaricare veicoli elettrici ed elettrici-ibridi anche mentre sono in

movimento. Questo scenario, chiaramente, non potrà avvenire

nell’immediato futuro, ma il potenziale di questa tecnologia risulta

già oggi veramente notevole in molti settori.

TRASMETTITORE



RICEVITORE



Un fattore chiave nella trasmissione wireless di

energia è l'effi cienza: per poter definire efficace

il sistema, una grande porzione dell'energia



trasmessa dal generatore deve arrivare al

dispositivo di ricezione. I due tipi di processi

di accoppiamento induttivo che possono

essere utilizzati per il trasferimento wireless in

campo vicino sono l'accoppiamento induttivo

standard e l'accoppiamento induttivo risonante.

Generalmente, l'accoppiamento induttivo

standard è molto meno effi ciente e praticabile

a una distanza di comunicazione relativamente

breve, in quanto la maggior parte del fl usso

magnetico non è collegato fra le bobine e

i campi magnetici decadono velocemente.

L'accoppiamento induttivo risonante offre una

maggiore effi cienza (fi no al 95%) e funziona

anche a distanze relativamente lunghe (vari

metri), dato che la bobina risonante riduce

sensibilmente le perdite di energia consentendo il

trasferimento dell'energia da una bobina all'altra.

Accoppiamento induttivo standard

L'accoppiamento induttivo standard utilizza due

conduttori considerati accoppiati induttivamente

in modo reciproco o accoppiati magneticamente,

quando confi gurati, così da utilizzare l'induzione

elettromagnetica, ovvero un cambiamento del

fl usso di corrente causato dal fatto che un fi lo

induce una tensione alle estremità dell'altro fi lo.

Il livello di accoppiamento indotto fra i conduttori

è la loro mutua induttanza. Se si avvolgono i fi liin bobine e si collocano tutte le bobine vicine



lungo un asse comune, per far sì che il campo

magnetico di una bobina attraversi l'altra,

si può aumentare l'accoppiamento. Questa

forma di accoppiamento induttivo è effi cace

per le sorgenti di energia a bassa frequenza

e a corto raggio. L'interconnessione wireless

tramite accoppiamento induttivo standard ha

lo svantaggio di raggiungere le prestazioni più

elevate a bassa potenza e con piccole dimensioni.

Accoppiamento induttivo risonante

La risonanza viene utilizzata per aumentare

la distanza a cui può essere effettuato un

trasferimento di energia effi ciente. A medio

raggio, il trasferimento wireless di energia

elettrica in campo vicino può essere effettuato

utilizzando un accoppiamento induttivo

risonante, che, in modo analogo, utilizza una

struttura a due bobine. Tuttavia, in questo

caso, le bobine sono sintonizzate in modo da

risonare alla stessa frequenza e produrre un

trasformatore di risonanza o risonante con un

elevato valore Q. L'energia viene trasmessa

fra le due bobine risonanti. Se si fa "suonare"

una bobina con una corrente oscillante, essa

genera un campo magnetico oscillante.

Dato che la bobina è altamente risonante,

l'energia si smorza abbastanza lentamente,

ma collocando una seconda bobina vicinoalla prima, la maggior parte dell'energia



viene trasferita alla seconda bobina prima

di andar persa. Questo avviene anche se le

bobine sono collocate a una certa distanza.

Sul fronte dei semiconduttori, Texas Instruments

al momento utilizza la tecnologia della risonanza

magnetica nella gamma di dispositivi per alimentazione

wireless bqTESLA, che include

i circuiti integrati sia di un ricevitore che di un

trasmettitore per ricaricare senza contatto. Questo

consente di caricare i dispositivi elettronici

portatili con un picco di effi cienza del 93% e con

un ridotto aumento della temperatura all'interno

del sistema, pur mantenendo correnti di carica

compatibili a un adattatore c.a. standard.

Applicazioni

C'è un crescente interesse per le possibilità

dell'alimentazione wireless e si stanno cercando

molte applicazioni nuove e innovative, incluse

quelle per i negozi in cui i dispositivi o i prodotti

possono essere alimentati o caricati letteralmente

mentre sono sugli scaffali. Per esempio, ci

potrebbero essere riviste intelligenti munite

di chip, progettate per attirare l'attenzione

dei potenziali acquirenti e aumentare il loro

interesse (ad esempio grazie a elementi

luminosi sulla copertina) che possono essere

alimentate senza bisogno di fi li e rimanere

sempre sullo scaffale, oppure giocattoli a batteriache si ricaricano automaticamente e sono



la ricarica wireless, mentre raddoppia come

antenna NFC (Near-Field Communications)

Standard

Una cosa importante per la domanda futura del

settore è che esiste già uno standard per caricare

i dispositivi a bassa potenza grazie al Wireless

Power Consortium (WPC), che venne istituito nel

2008 per progredire nella standardizzazione della

tecnologia di ricarica wireless. Lo standard crea

interoperabilità fra i dispositivi che forniscono

e ricevono l'alimentazione. Al momento lo

standard sta venendo esteso alle applicazioni a

media potenza. Sebbene le specifi che originali

a bassa potenza forniscano alimentazione

fino a 5 W, le specifi che a media potenza sono

progettate per fornire alimentazione fi no a

120 W, e questo le rende ideali, ad esempio,

per gli elettrodomestici della cucina.

Auto elettriche e futuro

Un'ultima area, incredibilmente entusiasmante,

è quella della ricarica wireless dei veicoli elettrici,

grazie a punti di ricarica collocati nei garage o nei

parcheggi pubblici. I punti di ricarica non devono

essere necessariamente allineati in modo preciso

con il ricevitore sotto l'auto. A lungo termine, a

seconda di quante diffi coltà ancora da superare si

presenteranno a livello amministrativo nazionale

e locale, si cercherà di sviluppare una versionemicro-caricante, che potrebbe rendere possibile



l'integrazione delle piastre di caricamento lungo

le strade pubbliche, così da caricare i veicoli EV/

HEV (elettrici ed elettrici ibridi) anche mentre sono

in movimento. Questo scenario, chiaramente,

non potrà avvenire nell'immediato futuro, ma

il potenziale di questa tecnologia è enorme.

Giappone, l’energia viaggia senza fili: test completato con successo

Grazie alla tecnologia a microonde, il team ha inviato 10 kW a 500 metri di distanza, senza l'ausiliodi cavi elettrici

Immagine Navy_Space_Solar

La possibilità di catturare l’energia solare fuori dal nostro pianeta e utilizzarla per soddisfare ilfabbisogno energetico della popolazione della Terra, potrebbe non essere solo fantascienza. C’èancora tanta strada da fare, ma un test completato con successo dall’azienda giapponeseMitsubishi Heavy Industries fa ben sperare. Grazie all’ausilio di una tecnologia a microonde, ilteam è riuscito ad inviare 10 kW di potenza –sufficienti ad alimentare dei comuni attrezzi dacucina- ad un ricevitore posto a 500 metri di distanza, in assenza di cavi elettrici: l’avvenutatrasmissione è stata confermata dall’accensione di alcune luci a LED installate sul pannello diricezione.

Il test rappresenta un piccolo passo in vista di un obiettivo ben più ambizioso: la compagniaprogetta di installare pannelli fotovoltaici su un satellite geostazionario in orbita a 36mila km dallaTerra per generare elettricità. L’energia verrebbe trasmessa attraverso microonde o raggi lasersulla superficie del nostro Pianeta, senza l’ausilio di alcun cavo elettrico. La Mitsubishi HeavyIndustries non è l’unica azienda alle prese con la sperimentazione: pochi giorni fa, la JapanAerospace Exploration Agency (JAXA) ha annunciato di essere riuscita a trasferire 1,8 kW dienergia per una distanza di 55 metri, senza fili.

Le distanze percorse non sono ancora molto vaste, ma il successo dei test spiana la strada ad

ulteriori ricerche, che potrebbero permetterci presto di sfruttare l’immenso quantitativo di energiasolare dello spazio, un flusso costante non ostacolato dalle condizioni atmosferiche o dal momentodella giornata. Tuttavia, secondo i ricercatori, bisognerà aspettare almeno il 2040 per usufruire diquesta nuova tecnologia.



uBeam apre la sua tecnologia: “l’energia elettrica senza fili è possibile”

uBeam è un azienda americana che si occupa da qualche anno di ricerca nel campo della ricaricawireless ed ha sviluppato un trasduttore che può trasmettere o ricevere onde sonore ad unaspecifica frequenza tra i 45 e i 75 kHz, con intensità in uscita tra i 145 e i 155 dB (o 316 W/m2 –3kW/m2)

Il sistema può ricaricare più dispositivi contemporaneamente nel raggio di 4 metri da untrasmettitore.

Il trasduttore è progettato per erogare un minimo di 1,5 watt di energia elettrica ad unosmartphone, sufficiente a non fargli perdere carica anche quando usato per attività intense.Secondo il numero di dispositivi “connessi” e alla distanza dalla sorgente uBeam è in grado difornire quantità di energia comparabili a quelle di un normale alimentatore.

Il tutto è basato su un sistema di trasmettitore e ricevente che invece di trasportare l’energia comeonde elettromagnetiche o flusso di elettroni, lo fa trasformando la corrente in onde sonore. Potetepensare al tutto come un altoparlante che “alimenti” un microfono riproducendo particolari suoni,nello specifico ultrasuoni.

Sistemi di trasmissione di potenza wireless

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