Droga od pomysłu do gotowego prototypu była długa i pełna wyzwań. Eksperyment z wahadłem generującym energię pokazuje, jak skomplikowane bywa pozornie proste zadanie pozyskania użytecznego prądu z ruchu mechanicznego. Twórca musiał przejść przez szereg iteracji swojego projektu, aby uzyskać urządzenie zdolne do zgromadzenia energii wystarczającej do zasilenia choćby małej elektroniki.
Od magnesu kołyszącego się nad cewką do pełnoprawnego generatora prądu
Punktem wyjścia był klasyczny układ znany z podręczników, który jest bardzo prosty, bo obejmuje magnes poruszający się w pobliżu miedzianej cewki i wytwarzający w niej impuls prądu. Problem w tym, że taki prąd ma charakter krótkich, ostrych zafalowań, które są zupełnie nieprzydatne do zasilania czegokolwiek. Autor rozwiązał to, dodając układ prostowniczy oraz kondensator, które przechwytują i wygładzają te impulsy, zamieniając je w stabilniejszą formę energii.
Czytaj też: Wsadzili HALS do perowskitowych ogniw słonecznych. Efekty są niebywałe
Prawdziwy rozmach widać jednak w odpowiednio przeskalowanej wersji projektu do imponującego rozmiaru. Konstrukcja wykorzystująca ciężar o masie 40 kilogramów przypominała miniaturową machinę oblężniczą. Inżynier zastosował precyzyjne łożyska, potężne magnesy neodymowe i solidną ramę, tworząc urządzenie, które wygląda bardziej jak katapulta niż generator energii elektrycznej
W tle działa ten sam mechanizm, który stoi za hamowaniem elektromagnetycznym. Zmienne pole magnesów indukuje w przewodniku prąd, a ten prąd wytwarza własne pole, które sprzeciwia się zmianie (prawo Faradaya i Lenza). Efekt uboczny jest kluczowy, bo jeśli odbierasz energię elektryczną, to jednocześnie musisz zapłacić za to energią mechaniczną, czyli w efekcie wahadło wyraźnie zwalnia. Właśnie dlatego Stanton, testując układ, mógł niemal “zatrzymać” maszynę samym obciążeniem cewek. Nie ma w tym żadnej magii – jest bilans energii.
Zastosowanie zaawansowanego układu Halbacha i druku 3D do stworzenia cewek
Kluczową innowacją zwiększającą wydajność było użycie układu Halbacha. Ta specjalna konfiguracja magnesów skupia pole magnetyczne po jednej stronie, znacząco je wzmacniając, a jednocześnie minimalizując po stronie przeciwnej. Aby ukierunkować linie pola, Stanton dodał także płytę z miękkiej stali, a do samego odbioru energii służyło sześć identycznych cewek z grubego drutu miedzianego. Ich precyzyjne wykonanie było możliwe dzięki drukarce 3D, a zaprojektowane przez niego szablony pozwoliły następnie na idealne nawinięcie każdej cewki, które były podłączone do osobnego prostownika, a zgromadzona energia trafiała do potężnego kondensatora o pojemności 100000 mikrofaradów, pełniącego rolę magazynu.
Czytaj też: Niczym silnik rakietowy dla litu. Jak zapomniany kryształ może uratować rynek?
Układ Halbacha to w praktyce bardzo pragmatyczny sposób na to, by większość strumienia magnetycznego skierować tam, gdzie pracuje cewka. W idealnym ujęciu pole po jednej stronie się wzmacnia, a po drugiej w dużej mierze znosi, dzięki czemu mniej energii “ucieka” w powietrze, a więcej trafia w obszar, w którym faktycznie indukujesz napięcie. Dodanie stalowej płyty jako drogi powrotu strumienia to kolejny klasyczny trik, bo pole łatwiej się “zamyka”, więc rośnie skuteczność sprzężenia na poziomie magnes-uzwojenie.
Wyniki eksperymentu: 51 dżuli energii i granice praktyczności
Efekty są mieszane. Podniesienie wahadła na wysokość około 18 centymetrów pozwala zgromadzić 51 dżuli energii, co przekłada się na zaledwie 0,014 watogodziny. Taka ilość wystarczy, by podświetlić sześć diod LED przez około trzy minuty, w trakcie których amplituda wahnięć spada do nieco ponad 13 cm. Pomiar oscyloskopem wykazał z kolei chwilowe napięcie zmienne sięgające aż 80 woltów, co jest imponującą wartością jak na domowy warsztat, ale musimy pamiętać, że nie oznacza ono dużej energii. Po przejściu przez prostownik napięcie ustabilizowało się na poziomie 30 V prądu stałego, a taka energia pozwoliła Stantonowi na uruchomienie małego wentylatora czy nawet na wystrzelenie papierowego samolotu z elektromagnetycznej wyrzutni. Gdy jednak pomyślimy o codziennym zastosowaniu tego typu pomysłu, to od razu pojawią się poważne ograniczenia.
Czytaj też: Pierwszy taki pożar magazynu energii w historii. Wynik zaskoczył nawet inżynierów
Ładowanie współczesnego smartfona takim urządzeniem jest po prostu niepraktyczne. Gęstość energii w akumulatorach litowo-jonowych jest tak duża, że pojedynczy cykl pracy wahadła dostarcza jej śladowe ilości w porównaniu z potrzebami telefonu. Dobitnie pokazuje to różnicę między sprytnym pokazem fizyki a komercyjnym źródłem energii i naturalnie taki projekt nie jest konkurencją dla powerbanków. W rzeczywistości jednak wcale nie musi nią być. Jego siła leży w tym, że w jednym miejscu spotykają się prawa fizyki, dobór materiałów, kompromisy elektryczne i czysta mechanika, pokazując nam, że choć napięcie łatwo jest wywołać, to zebrać energię już tak łatwo nie jest.