Bojíte sa bezdrôtového nabíjania? Máte pocit, že pri jeho používaní môže dôjsť k úrazu, požiaru, alebo k zdravotným ťažkostiam? Zistite ako vlastne toto nabíjanie funguje a nechajte svoje obavy rozplynúť.

To je nápad. Keď sa môžeme pripojiť bezdrôtovo k internetu cez Wi-Fi, prečo by sme sa nemohli bezdrôtovo pripojiť aj k zásuvke? Zapneme to a už to frčí.

Ale počkať moment. Na ten Wi-Fi signál čo je všade okolo sme si už zvykli, ale to nabíjanie… Nie je to nejako nebezpečné? Veď prsty do zásuvky tiež nestrkáme. Nehrozí, že ak bezdrôtovému nabíjaniu vojdeme do cesty, že nás poriadne potrasie?

Ako je to bezpečné? Môžem tam mať ruku? Ovplyvňuje ma zdravotne takýto prenos? A čo deti. Pomyslel niekto na deti?

AKO BEZDRÔTOVÉ NABÍJANIE VLASTNE PRENÁŠA ELEKTRINU?

Nemám čas, zhrň to do troch viet: Pri bezdrôtovom nabíjaní úraz nehrozí, pretože nabíjačka vzduchom či dotykom žiadnu elektrinu vôbec neprenáša. Elektrina v nabíjačke vytvára len magnetické pole a to je všetko. Ak sa v tomto magnetickom poli ocitne vhodné zariadenie, použije ho na naštartovanie svojej vlastnej „elektrárne“ a elektrinu si vo svojom vnútri vyrobí.

To je zaujímavé, povedz mi to detailnejšie: V prípade bezdrôtového nabíjania smartfónov či inej používateľskej elektroniky sa v súčasnosti stretneme s dvoma základnými prístupmi. Nabíjaním s použitím magnetickej indukcie (takmer vždy) a nabíjaním s použitím magnetickej rezonancie (veľmi zriedkavo). Obe riešenia majú mnoho spoločných prvkov.

Obvyklá laická predstava bezdrôtového nabíjania je, že elektrina sa prenáša len tak vzduchom a ak do priestoru strčí človek napríklad ruku, príde k úrazu. Obava je to ale márna, pretože oba súčasné prístupy, založené na magnetickej indukcii a rezonancii, používajú na bezdrôtový prenos magnetické pole.

Zariadenie, ktoré slúži ako nabíjačka, má v sebe jednu alebo viac cievok, ktoré po pripojení do elektrického obvodu vytvoria okolo seba magnetické pole. Toto pole je väčšie, než samotné zariadenie a jeho veľkosť tak určuje dosah samotnej nabíjačky.

Toto pole nie je pre človeka citeľné, ani nebezpečné. Je to prakticky totožné, ako keby ste položili ruku na magnet. Koncové zariadenie kompatibilné s bezdrôtovým nabíjaním má však v sebe prijímaciu cievku a ako náhle sa dostane do dosahu spomenutého magnetického poľa, dôjde k presne opačnému efektu. Magnetické pole vyvolá v cievke elektrický prúd.

Z tohto popisu je jasné, že pri prenose žiadny úraz nehrozí. Prúd je použitý k vytvoreniu magnetického poľa a iné zariadenie v dosahu toto pole vo svojich útrobách prevedie zas na prúd. Daňou sú samozrejme straty, pretože ani jedna z týchto premien nie je 100 % účinná.

AKO TA MAŠINA VLASTNE VYZERÁ A ČO SA MI STANE, KEĎ TAM STRČÍM HLAVU?

V súčasnosti je suverénne najrozšírenejšie bezdrôtové nabíjanie formou magnetickej indukcie (viac ako 90% trhu). Ak ste si niekedy bezdrôtovo nabíjali smartfón, takmer určite išlo o tento spôsob. Vo väčšine prípadov sa používa štandard Qi, ktorá spravuje konzorcium WPC (Wireless Power Consortium). Je to čínske slovo, znamenajúce „tok energie“, takže sa to číta ako Čí, čo je v slovenčine trochu nešťastné.

No a takto nabíjačka vyzerá – bez srandy. Je to veľká plochá cievka, respektíve medený drôt zatočený do kruhu, ktorý je napojený na malú alebo väčšiu dosku s riadiacimi obvodmi. Riadiaci obvod obsahuje oscilátor, ktorý do drôtu vpúšťa striedavý elektrický prúd, vo výsledku čoho sa generuje nie statické, ale oscilujúce magnetické pole.

Oscilácie sú v základe na 140 kHz, avšak podľa toho, aký je tvar cievky (kruh alebo ovál) a takisto to, ako hlboko je v zariadení nabíjačky, môže byť použitá iná frekvencia, pričom rozsah štandardu je 105 až 205 kHz.

Riadiaci obvod obsahuje rôzne doplnkové regulačné a kontrolné mechanizmy a takisto aj prostriedok na komunikáciu. Na zistenie toho, či je v dosahu kompatibilné zariadenie, požíva nabíjačka krátky magnetický ping, pričom pri kladnej odpovedi začne produkovať magnetické pole naplno. Predávané nabíjačky pravdaže nevyzerajú takto nahé a oblečú si nejaké tie sviatočné nohavice, ako vidieť na obrázku nižšie.

No a čo smartfón? No čuduj sa svete, v ňom je prakticky rovnaký kus zatočeného drôtu. Ak sa takáto cievka ocitne v oscilujúcom poli na danej frekvencii, spáruje sa s ním, čo vyústi do toho, že sa v nej začne indukovať striedavý elektrický prúd. Preto sa takýto prenos energie volá indukčný, pretože sa tu uplatňuje Faradayov indukčný zákon, tiež známy ako Zákon elektromagnetickej indukcie.

Cievka v smartfóne je takisto napojená na riadiacu dosku. Jej súčasťou je usmerňovač, ktorý striedavý prúd generovaný cievkou prekonvertuje na jednosmerný. Ten sa už môže použiť na nabíjanie batérie. Ozajstná nabíjačka je teda vlastne vo vnútri telefónu, takže smartfón si reguluje objem odoberanej energie a v prípade plného nabitia sa dokáže od obvodu aj odpojiť. Zmenšenie odberu nabíjačka deteguje a môže prejsť do spánku.

Vzhľadom na to, aká je cievka veľká, je obvykle prilepená zvonku na tele batérie. To je dobré ploché miesto, bez ostrých výčnelkov. Zohrievanie cievky je spojené so zohrievaním batérie pri nabíjaní, takže teplo je možné dobre odvádzať dotýkaním sa zadného krytu telefónu.

Drôtik je jemný a celú cievku môžete pokrčiť ako papier. Celá je pri tom zabalená v izolačnej, obvykle čiernej fólii, takže po rozobratí telefónu ju na prvý pohľad neuvidíte. Ak chcete vidieť, ako odlepenie cievky a rozdrápanie jej obalu vyzerá, môžete to vidieť na našom videu (v čase 5:12), kde rozoberám a popisujem súčiastky odolného smartfónu CAT S50.

Výraznou nevýhodou klasického indukčného bezdrôtového nabíjania je, že aby k indukčnému spárovaniu v rámci magnetického poľa došlo, musia byť cievky veľmi blízko pri sebe. Môžete to pekne naholo vidieť v tomto gife, kde dióda prijímacej cievky zhasne už pri vzdialenosti zhruba piatich centimetrov.

To je pravdaže nešťastné. Vzhľadom na to, že nejaký rozmer treba počítať aj na konštrukciu nabíjačky a smartfónu, vo výsledku to znamená, že telefón musíte položiť rovno na nabíjaciu plošinu a basta. Bezdrôtovosť sa tým viac menej stráca. Kábel do telefónu síce nezapájame, ale musí zostať ležať na mieste a používať ho pohodlne nemôžeme.

Nie je divu, že z bezdrôtového nabíjania sa nejaké mega-terno za posledné roky nestalo. Omnoho lepšie by bolo, keby bezdrôtové nabíjanie fungovalo na väčšiu vzdialenosť, aspoň pár desiatok centimetrov, ideálne pár metrov.

Zariadenia ako smartfóny, tablety či notebooky by sa teda nabíjali napríklad len tým, že by ste ich mali doma, alebo by ste vošli do reštaurácie, kina či skrátka prišli do práce. Podobne ako sa váš telefón pri vstupe do vášho bytu či domu napojí na vašu Wi-Fi, začali by sa automaticky aj nabíjať.

A práve toto by onedlho mohlo umožniť bezdrôtové nabíjanie formou rezonancie. Ide takisto o indukčnú metódu nabíjania, avšak pri párovaní cievok sa používa veľmi presná magnetická rezonancia, vďaka ktorej môže dôjsť k spárovaniu aj na väčšiu vzdialenosť.

V rámci rezonancie ide o podobný efekt, ako keď špičkový spevák alebo speváčka dokáže svojim hlasom rozbiť pohár vína. Aby to dokázali, musia sa so svojim hlasom trafiť tón na špecifickej frekvencii, ktorá je rovnaká ako rezonancia skla, vďaka čomu sklo začne vibrovať. Ak udržia tón dlho a stabilne, napätie v skle neustále narastá, až sa napokon pohár roztriešti. Je to možné vďaka tomu, že akustická vlna hlasu je konvertovaná na mechanický pohyb pri čo najväčšej možnej účinnosti.

Podobne to môže robiť aj cievka nabíjačky, využívajúca magnetické rezonátory. Magnetické pole je tak „naladené“ na konkrétnu rezonančnú frekvenciu a ak sa na rovnakú alebo veľmi podobnú frekvenciu naladí aj prijímacia cievka v smartfóne, dochádza k tzv. vysoko spárovanej magnetickej rezonancii. Obrazne povedané dôjde k vytvoreniu akéhosi energetického tunela, ktorý umožní zachovať spárovanie aj s nárastom vzdialenosti.

Na rozdiel od zákonov klasickej indukcie, ktoré Michael Faraday popísal už pred 200 rokmi, poznáme špecifický efekt extrémne silnej rezonancie len 11 rokov. V roku 2007 ho prvý raz podrobne popísali a demonštrovali výskumníci z MIT (Massachusetts Institute of Technology), ktorý ho publikovali v prestížnom vedeckom magazíne Science.

Nabíjanie v rámci magnetickej rezonancie má mnoho východ, pričom okrem nárastu vzdialenosti sa otvára aj možnosť nabíjať viacero zariadení súčasne z jedinej cievky, pričom bonusom je, že vzájomná orientácia prijímacích cievok nehrá rolu (pri klasickej indukcii musia byť cievky rovnobežne k sebe).

Problémom je, že aj napriek silnému spárovaniu dochádza k úbytku účinnosti pomerne razantne. Pre porovnanie, efektivita bezdrôtového prenosu energie je pri klasickej magnetickej indukcii zhruba v rozmedzí 70 až 90 % účinnosti káblového spojenia. Závisí od veľkosti cievok a ich umiestnení a celkovej kvalite riešenia.

V prípade rezonancie, kde vzdialenosť cievok narastá, sa však dostávame ešte nižšie, pričom pri vzdialenosti okolo 1 metra už klesáme pod 15 % účinnosť. Dnes sa tak rezonancia používa len na pár centimetrov, napríklad na prekonanie drevenej dosky stola a podobne, čím nabíjačka môže byť pod ním.

Výsledkom je o niečo dlhší čas nabíjania a takisto väčšie množstvo energie, ktoré je nutné odčerpať zo siete. Treba ale povedať, že vzhľadom na mladosť technológie je tempo vývoja nemalé. Tzv. Q faktor (Quality factor), ktorý určuje ako veľmi sa účinnosť s nárastom zmenšuje, sa nám v posledných rokoch darí stále zlepšovať a je stále dosť dobre možné, že za jednu dekádu bude bezdrôtové nabíjanie v rámci celých miestností realitou.

Čo sa stane, ak zoberiete dnešnú bezdrôtovú nabíjačku s magnetickou rezonanciou, priložíte si ju k ľavému uchu a smartfón k pravému uchu a necháte ho nabíjať sa cez svoju hlavu? Nuž, čuduj sa svete – nič. Telefón sa bude nabíjať ďalej, ale váš mozog a ani iná časť tela nič neucíti, pretože žiadnu cievku v sebe nemáte, rovnako ako nemáte žiadny senzorový orgán, ktorý by prítomnosť magnetického poľa cítil.

KEDY JE SILNÉ MAGNETICKÉ POLE PRE ČLOVEKA NEBEZPEČNÉ?

No dobre, ale stojí zato bezdrôtovú nabíjaciu budúcnosť nasledovať? To naozaj budeme žiť neprestajne v rezonančnom magnetickom poli v našom byte či v práci celý deň? Nezbláznime sa z toho? Neodpadne nám z toho za rok nos, alebo nedajbože ešte niečo iné?

No, v prvom rade, v jednom magnetickom poli už permanentne žijeme a vôbec ho nevnímame. Generuje ho naša Zem a otáča naše ručičky kompasov. Ak pridáte ďalšie, teda napríklad to, ktoré generuje suvenírová magnetka a budete ju nosiť v ruke či na hlave ako klobúk, nič sa vám nestane takisto. Teda za predpokladu, že si ním nepriškripnete prsty či ucho k zárubni.

Rôzne magnety a magnetické polia máme okolo seba celý život a magnetický mor sme z nich nedostali. Ak nepatríte k fanúšikom pavedy a nezmyslov a nenosíte rôzne magnetické náramky na zarovnanie svojich vysnených čakier, tak magnety a ich polia vo svojom živote skrátka necítite.

Určite ale existuje limit. Napríklad rádiové, respektíve elektromagnetické signály takisto nijako necítime a neškodia nám (práve naopak, na správnej frekvencii nám umožňujú vôbec vidieť), ale stačí keď budeme zvyšovať ich frekvenciu a dostaneme sa až k škodlivému ionizujúcemu röntgenovému a gama žiareniu, ktoré nás pri dostatočne dlhom a veľkom pôsobení dokáže zabiť.

Podobne je to aj s magnetickým poľom. Sila magnetického poľa Zeme, ktoré na nás neustále pôsobí, má hodnotu 0,25 až 0,65 Gaussu (v závislosti od lokality), alebo v iných jednotkách 25 až 65 mikrotesla. Dnes používané bezdrôtové nabíjanie vyprodukuje magnetické pole o sile v rozsahu 1 až 15 gaussov, podľa druhu nabíjačky a jej výkonu.

To je síce 40× viac ako Zem, ale stále to bledne v porovnaní so suvenírovými magnetkami na vašej chladničke z dovolenky, ktoré vytvárajú magnetické pole so silou okolo 100 gaussov. Zhruba takto, alebo ešte o niečo viac môžu generovať rezonančné nabíjačky.

Medzinárodné odporučenia pre magnetické polia, s ktorými verejnosť môže nevedomky prichádzať do styku, sa dnes pohybujú na hodnote 400 gaussov (40 militesla), teda zhruba 1000× silnejšie, ako prirodzene vytvára naša Zem.

Nejde ale o nič nebezpečné. Ak ste niekedy rozobrali HDD a vybrali z neho neodymový magnet, tak ten má silu až niekoľko tisíc gaussov. Pravdaže, len na veľmi malú vzdialenosť (pár cm). Pokojne ho ale môžete vziať do ruky, či si ho položiť na čelo a nič neucítite.

Najväčšie magnetické pole, s akým sa bežní ľudia môžu dostať do kontaktu, vytvárajú prístroje pre MRI (Magnetic Resonance Imaging). Ak ste niekedy v nemocnici podstúpili skenovanie hlavy po úraze, alebo v rámci detekcie nádorového ochorenia, zažili ste ho na vlastnej koži.

Určite ho ale poznáte aj z filmov a seriálov ako ten tunel s čudesným zvukom, kde sa pacient nesmie hýbať, aby sa snímky nerozmazali. Nemocničné stroje na MRI majú extrémne silné elektromagnety, chladené tekutým héliom, ktoré priamo vo vnútri vašej hlavy vyvinú magnetické pole o sile 15 000 až 30 000 Gaussov, (1,5 až 3 Tesla).

Na rozdiel od röntgenu, ktorý sa z dôvodu škodlivého žiarenia nemôže opakovať príliš často, je magnetický sken vašej hlavy celkom neškodný. Ohrozuje vás iba tým, že by vás mohol prevŕtať nejaký neoznámený objekt vo vašom tele, ako sú rôzne implantáty, piercingy či fragmenty rôznej munície, ktoré vystrelia z vášho tela smerom k magnetom veľkou rýchlosťou. Podobne vás môže zabiť letiaci hasiaci prístroj, kyslíková nádrž či invalidné kreslo, ktoré priletí z opačného konca miestnosti.

Zriedkavo takéto silné polia už môžu začať v ľuďoch aj niečo vyvolávať, ako napríklad miernu nevoľnosť či kovovú pachuť v ústach, avšak reálnosť tohto efektu je diskutabilná a môže mať psychosomatický pôvod. Každopádne, daný efekt je len dočasný a vytratí sa po vypnutí prístroja.

Čo ale ak budeme magnetické pole zvyšovať ešte viac? Efekt extrémne silných magnetických polí na človeka nie je z pochopiteľných dôvodov príliš preskúmaný. Ľudia sa im totiž nevystavujú, pretože nemajú kde a ak majú, nemajú prečo.

Overeným a potvrdeným prejavom extrémne silného magnetického poľa na človeka sú magnetofosfány. Ide o záblesky svetla, ktoré zažije menej ako 1 % pacientov na výkonných MRI. Pri určitom zložení a tvare oka magnetické pole MRI vygeneruje v očiach malé množstvo elektrického prúdu, čo sietnica interpretuje ako záblesky jasného svetla.

Existuje oprávnená obava, že vyššie polia ako 30 000 gaussov budú mať už dostatočnú silu na to, aby na niektorých frekvenciách indukovali malý elektrický prúd aj v iných orgánoch (akoby šlo o cievky). To by mohlo byť extrémne nebezpečné hlavne v prípade srdca, kde by potenciálne mohla nastať nekoordinovaná kontrakcia svalu srdcových komôr, vedúca k prípadnej zástave.

To sú však extrémne prípady, vyvolané frekvenciou a nie silou poľa ako takého. U polí so silou 30 000 až 100 000 gaussov je očakávaná alebo potvrdená hlavne nevoľnosť, narastanie teploty, zhoršenie kognitívnych funkcií a prípadne aj halucinácie. Existujú takisto obavy, že polia o sile okolo pol milióna  gaussov začnú spôsobovať aj poškodenia buniek, avšak vo výsledku stále ešte o smrteľný efekt nepôjde.

V rámci rôznych laboratórií, experimentov a vedeckých prístrojov takéto polia generujeme a používame. Napríklad magnety v laboratóriách CERN, ktoré sa používajú v rámci LHC, teda Veľkého hadrónového urýchľovača, vyvíjajú pole o sile 135 000 gaussov (13,5 tesla). I keď pravdaže bez ľudí v dosahu.

Z experimentov ale vieme, že takéto silné magnetické pole už dokáže zo zeme zdvihnúť žabu (bez zdravotnej ujmy) a nechať ju levitovať (samotná levitácia v čase 0:30). Je to možné vďaka tomu, že živé tvory obsahujú vysoké percento vody, vďaka čomu sú mierne diamagnetické a dostatočne silné pole ich odpudzuje.

Ako silné by muselo magnetické pole byť, aby vás začalo výrazne a bezprostredne ohrozovať, alebo by vás dokonca rozmetalo na prach?

Najsilnejšie stabilné magnetické pole, aké sme na Zemi vytvorili, malo hodnotu 12 miliónov gaussov (1200 tesla). Stalo sa tak len pred pár dňami, 19. septembra na Tokijskej univerzite. Pole sa podarilo udržať na 100 mikrosekúnd, počas ktorých vytrhlo zo steny dvere laboratória. To je viac ako 400× väčšie pole, ako vyvíjajú inak super silné magnety najvýkonnejších MRI strojov.

Ak by sme v ňom stáli, to by nás už muselo rozmetať, no nie? Napríklad v rôznych filmoch, ako napríklad X-Men, sa môžete stretnúť s prípadom, kedy je nejaké magnetické pole tak extrémne silné, že dokáže vytrhnúť železo z  krvi smerom von a prešpikovať nás tak povediac z vnútra.

Ide však len o hollywoodsky sen. Železo v našej krvi nie je feromagnetické. V krvi pláva v náhodnej orientácii, pričom je ho extrémne malé množstvo. Vzhľadom na to, že ide o jeden magnetický dipól, v silnom magnetickom poli by sa len otočilo požadovaným smerom. Molekuly a ich termálne vlastnosti akékoľvek miniatúrne pohyby hŕstky železných atómov celkom potlačia a k žiadnemu a filmovému vytrhnutiu z tela nikdy nedôjde.

Ak by sme boli v dosahu takéhoto magnetického poľa o sile miliónov gaussov, nasledovala by zrejme strata vedomia a potenciálne aj smrť z dôvodu zastavenia srdca či mozgovej činnosti. Možno by sa naše telo aj vznieslo do vzduchu, pretože by človek dosiahol podobného pomeru ako tisíckrát menšia žaba v tisíckrát menšom poli, ale pravdu nikto nepozná. Nikto to netestoval a je stále dosť dobre možné, že naše telo by to skrátka úspešne prežilo.

Naše telo, založené na uhlíku a vode, je skrátka proti magnetizmu veľmi odolné, z čoho si pekne uťahoval aj kultový seriál Futurama. Ten v jednom diele predviedol fiktívnu civilizáciu zloženú z robotov, ktorá točila filmové horory o „ľudských monštrách“, ktoré ich napadli a boli odolné aj proti najväčším vojenským magnetickým poliam (a „paradoxne“ nie proti prepichnutiu konárom).

Aj tento efekt má však svoj limit a ten limit je približne jedna miliarda Gaussov, teda 100 miliónov Tesla. Tieto hodnoty sú pre nás a akéhokoľvek iného živého tvora okamžitou koncovou čiarou, pretože magnetické pole začne byť dostatočne silné na to, aby začalo modifikovať tvar atómov (ich elektrónových orbitalov).

V atómoch obiehajú elektróny okolo protónov a neutrónov v jadre, pričom magnetické pole o sile miliardy gaussov je už schopné elektrónový oblak deformovať do cigarovitého tvaru, čo by malo fatálne dôsledky v rámci vzájomnej naviazanosti atómov do molekúl.

V takomto magnetickom poli by sa akákoľvek chémia, potrebná na vznik molekúl a fungovanie biologických systémov, stala nemožná. Nevedno čo by sa stalo, avšak vzhľadom na to, že atómy by sa z guľového tvaru natiahli do jedného smeru viac ako stonásobne, nastal by pravdepodobne náš úplný rozpad a dezintegrácia do podoby plazmy. Takáto smrť deatomizáciou by každopádne bola trvalého rázu.

Objekty, schopné generovať takéto silné magnetické polia vo vesmíre existujú. Ide o magnetary, čo je špecifický typ neutrónových hviezd, respektíve ich pozostatkov, ktoré zostali po explóziách supernov.

Magnetary sú veľké zhruba 20 km, pričom v rámci takto malých rozmerov je nahustené 2 až 3× toľko hmoty, ako obsahuje celé naše Slnko a vlastne aj celá naša Slnečná sústava (Slnko z nej tvorí 99 %). Vo výsledku by tak kúsok magnetaru vo veľkosti kocky cukru vážil viac ako 100 miliónov ton.

Ak by ste sa teda boli schopný priblížiť k takémuto monštru na niekoľko tisícok kilometrov, tak odhliadnuc od toho, že by vás dávno usmrtila masívna dávka röntgenového žiarenia, gama žiarenia či skrátka akýchkoľvek vysoko energetických častíc letiacich vašim smerom, táto vzdialenosť by bola pre vás smrtiaca už aj čisto z hľadiska veľkosti prítomného statického magnetického poľa.

Nuž, tie nabíjačky k tomu majú ešte fakt ďaleko…