شارژ بی‌سیم جاده‌ای؛ مسیرهایی که توقف در آن‌ها جایی ندارد

وقتی کامیون‌های برقی به بازار معرفی شدند شاهد تولد یکی از انقلابی‌ترین فناوری‌های روز بودیم. رفته‌رفته ظرفیت باتری این خودروهای بیشتر شده و برد حرکتی آن‌ها افزایش یافت. این یعنی کامیون‌ها قادر بودند مسافت بیشتری را طی کنند، اما از سوی دیگر نیاز داشته به‌صورت مرتب و در فواصل زمانی و کیلومتر مشخص توقف کرده و باتری را شارژ کنند. موضوعی که هزینه‌های زمانی و مالی برای صاحبان ناوگان و شرکت‌های حمل و نقل به همراه دارد.

از آن‌جایی که در اقتصاد بهره‌وری حرف اول را می‌زند و معمولا بالا بردن بهره‌وری به معنای افزایش سود برای شرکت‌ها است، سرمایه‌گذاری زیادی روی توسعه یک فناوری نوین برای شارژ کامیون‌ها نه در ایستگاه‌های شارژ، بلکه در خود مسیر و در حال حرکت انجام گرفته است. این فناوری که در حال حاضر یکی از داغ‌ترین مباحث مرتبط با دنیای حمل و نقل است شارژ بی‌سیم جاده‌ای نام دارد.

در این مقاله از پایه یک بررسی می‌کنیم شارژ‌ بی‌سیم جاده‌ای چیست، چطور کار می‌کند، چه مزایا و چالش‌هایی دارد و جایگاه آن‌ها در آینده‌ی ناوگان‌های برقی به کجا خواهد رسید. همچنین نگاهی داریم به کشورهایی که با سرمایه‌گذاری جدی، پیش‌گام توسعه‌ی این زیرساخت پیشرفته شده‌اند.

فناوری جاده‌های شارژ بی‌سیم چیست؟

جاده‌های شارژ بی‌سیم، زیرساخت‌هایی هستند که به‌کمک آن‌ها می‌توان انرژی الکتریکی را بدون اتصال فیزیکی از سطح جاده به خودروهای برقی منتقل کرد. در این فناوری، سیم‌پیچ‌های خاصی زیر آسفالت نصب می‌شوند که با تولید میدان مغناطیسی، امکان انتقال انرژی به گیرنده‌های نصب‌شده در زیر کامیون‌ها را فراهم می‌کنند. وقتی کامیونی روی این جاده حرکت می‌کند، گیرنده‌ی نصب‌شده انرژی میدان مغناطیسی را به برق قابل‌استفاده برای باتری یا سیستم محرکه تبدیل می‌کند.

این فناوری، برخلاف ایستگاه‌های شارژ، بر حذف توقف خودرو با هدف شارژ باتری تاکید دارد و هدف آن این است که کامیون در مسیرهای پرتردد بدون توقف، شارژ شود. سیستم‌هایی مانند آن‌چه در شهر دیترویت آمریکا یا گوتلند سوئد راه‌اندازی شده‌اند، نمونه‌های عملیاتی این فناوری هستند که فعلا در مسیرهای کوتاه و به‌صورت آزمایشی استفاده می‌شوند.

این فناوری چگونه کار می‌کند؟

اصلی‌ترین روش به‌کاررفته در جاده‌های بی‌سیم برای شارژ کامیون‌ها، فناوری شارژ القایی (Inductive Charging) است؛ فرآیندی که پیش‌تر در شارژرهای بی‌سیم تلفن همراه هم استفاده شده و حالا در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر برای خودروها توسعه پیدا کرده است. در این سیستم، سیم‌پیچ‌هایی در عمق کم زیر سطح آسفالت تعبیه می‌شوند که به شبکه برق شهری متصل هستند.

این سیم‌پیچ‌ها جریان برق را به میدان مغناطیسی فرکانس بالا تبدیل می‌کنند. هنگامی که یک کامیونِ مجهز به گیرنده‌ی القایی که فرکانس آن در محدوده استاندارد است، از جاده عبور می‌کند، میدان مغناطیسی ایجاد شده به گیرنده‌ی نصب‌شده در زیر خودرو متصل شده و برق را به آن منتقل می‌کند.

گیرنده‌های نصب‌شده در کامیون، معمولا از چند واحد القایی تشکیل شده‌اند که بسته به مدل خودرو و توان مورد نیاز، توان شارژ متفاوتی را فراهم می‌کنند. برای مثال، در پروژه دیترویت، هر گیرنده توانایی دریافت حدود ۳۵ کیلووات برق را دارد و یک کامیون با سه گیرنده می‌تواند تا ۱۰۰ کیلووات در حین حرکت شارژ شود. این مقدار انرژی نه‌تنها می‌تواند باتری را شارژ کند، بلکه در برخی حالت‌ها به‌طور مستقیم برای حرکت خودرو نیز استفاده می‌شود، بدون آنکه باتری وارد مدار شود. در مسیرهایی با طول چند کیلومتر، این قابلیت می‌تواند تاثیر قابل‌توجهی در افزایش برد عملیاتی کامیون داشته باشد.

تمام این فرآیند به‌صورت دینامیک و هوشمند انجام می‌شود. سنسورهایی در جاده و خودرو تعبیه شده‌اند که تشخیص می‌دهند چه زمانی خودرو بر روی بخش فعال جاده قرار دارد و فرآیند انتقال انرژی فقط در همان لحظه آغاز می‌شود تا از اتلاف انرژی جلوگیری شود. در کنار این فناوری القایی، سایر روش‌ها نیز وجود دارند؛ مانند خطوط بالاسری (Overhead lines) برای کامیون‌های بلند یا ریل‌های هادی در کف جاده که با اتصال مکانیکی به خودرو انرژی را منتقل می‌کنند. اما روش القایی به دلیل عدم نیاز به تماس فیزیکی و سازگاری بهتر با محیط‌های شهری، بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

کامیون‌ها برای شارژ در حال حرکت باید چه ویژگی‌هایی داشته باشند؟

برای اینکه یک کامیون بتواند از فناوری جاده‌های شارژ بی‌سیم بهره‌مند شود، لازم است تجهیزات خاصی داشته باشد که با زیرساخت‌های جاده‌ هماهنگ باشند. مهم‌ترین بخش، گیرنده‌ی القایی (inductive receiver) است که باید در بخش زیرین شاسی یا کف کامیون نصب شود.

این گیرنده با میدان مغناطیسی تولیدشده توسط سیم‌پیچ‌های زیر آسفالت هم‌فرکانس می‌شود و انرژی را به سیستم الکتریکی خودرو منتقل می‌کند. هرچه تعداد گیرنده‌ها بیشتر باشد، توان دریافتی هم افزایش پیدا می‌کند؛ برای نمونه کامیون‌های دارای سه گیرنده می‌توانند در حین حرکت تا ۱۰۰ کیلووات انرژی جذب کنند.

علاوه‌بر این، کامیون باید دارای مجموعه باتری با قابلیت شارژ دینامیک باشد؛ یعنی هم‌زمان با شارژ شدن بتواند انرژی را برای حرکت استفاده کند. همچنین باید یک سیستم کنترل هوشمند در خودرو تعبیه شود تا زمان دریافت انرژی، توزیع مناسب به باتری، موتور و قطع شارژ در زمان خروج از مسیر را مدیریت کند.

سیستم ناوبری و موقعیت‌یابی دقیق هم ضروری است تا کامیون بتواند دقیقا بر روی مسیر ویژه شارژ حرکت کند، این ویژگی‌ به‌خصوص در مسیرهای شهری یا پرپیچ و خم بسیار کاربردی است. بعضی پروژه‌ها، مانند Smartroad Gotland در سوئد، از کامیون‌هایی استفاده کرده‌اند که هم به باتری و هم به ماژول گیرنده مجهز هستند، تا کارکرد خودرو در جاده‌های معمولی نیز حفظ شود. در واقع، کامیون‌ها در حال حاضر برای بهره‌گیری از این سیستم باید به ترکیبی از باتری‌، سیستم شارژ بی‌سیم و سامانه کنترلی دقیق مجهز باشد تا بتواند به‌صورت موثر از این فناوری استفاده کند.

مزایای استفاده از جاده‌های شارژ بی‌سیم برای کامیون‌ها

یکی از مهم‌ترین مزایای جاده‌های شارژ بی‌سیم، کاهش نیاز به توقف برای شارژ است؛ موضوعی که در ناوگان‌های خودروهای سنگین که حجم و سرعت کارشان بالا است، اهمیت فراوانی دارد. وقتی یک کامیون می‌تواند در حین حرکت شارژ شود، نه‌تنها زمان از دست‌رفته برای توقف حذف می‌شود، بلکه بهره‌وری عملیاتی ناوگان نیز افزایش می‌یابد.

دومین مزیت، امکان استفاده از باتری‌های کوچک‌تر است؛ چرا که با شارژ پیاپی در طول مسیر، دیگر نیازی به حمل باتری‌های حجیم و سنگین با ظرفیت بسیار بالا وجود ندارد. این موضوع به کاهش وزن کلی خودرو، کاهش فشار بر جاده و همچنین بهبود مصرف انرژی کمک می‌کند.

مزیت دیگر، کاهش یا حذف کامل نگرانی از محدودیت برد است. این نگرانی به‌ویژه در مسیرهای بین‌شهری یا مناطقی که در آن‌ها زیرساخت‌های کافی وجود ندارد اهمیت پیدا می‌کند. اما جاده‌های شارژ بی‌سیم می‌توانند با تامین پیوسته انرژی، این مانع عملیاتی را برطرف کنند.

از سوی دیگر، این فناوری می‌تواند به شکل‌گیری شبکه‌های شارژ اشتراکی بین انواع خودروها کمک کند؛ مثلا یک مسیر می‌تواند هم برای کامیون‌های سنگین و هم برای اتوبوس‌ها یا خودروهای خودران مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، این سیستم باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، کاهش آلودگی صوتی و حرکت به‌سوی حمل‌ونقل پاک‌تر می‌شود؛ به‌ویژه اگر منبع تغذیه آن انرژی‌های تجدیدپذیر باشد.

چالش‌ها و محدودیت‌های راه‌اندازی جاده‌های شارژ بی‌سیم

با وجود تمام مزایایی که فناوری شارژ بی‌سیم در جاده‌ها ارائه می‌دهد، پیاده‌سازی آن با چالش‌هایی جدی روبه‌روست. نخستین و شاید بزرگ‌ترین مانع، هزینه بالای زیرساخت است. طبق برآوردها، اجرای هر مایل از این جاده‌ها می‌تواند تا دو میلیون دلار هزینه داشته باشد؛ رقمی که گسترش این سیستم را به‌ویژه در مقیاس‌های ملی یا بین‌شهری دشوار می‌کند. دومین چالش، پیچیدگی فنی اجرای پروژه است؛ از نصب سیم‌پیچ‌های دقیق در زیر آسفالت گرفته تا هماهنگی با شبکه برق، سیستم کنترل ترافیک و زیرساخت‌های شهری موجود.

مسئله استانداردسازی نیز مطرح است. برای اینکه این جاده‌ها به‌طور گسترده قابل استفاده باشند، لازم است گیرنده‌ها، سیستم‌های کنترلی و پروتکل‌های ارتباطی در میان سازندگان خودرو و نهادهای زیرساختی به‌صورت یکپارچه طراحی شوند. در حال حاضر، استانداردهای جهانی جامع و رسمی برای این فناوری وجود ندارد و همین موضوع مانع اصلی در توسعه فرامرزی آن است. چالش بعدی، نگهداری و تعمیرات است. هرگونه آسیب به سیستم شارژ در زیر آسفالت نیازمند حفاری و اختلال در ترافیک خواهد بود که هزینه‌بر و زمان‌بر است. همچنین این فناوری در مناطق برفی یا با شرایط زمین‌لرزه‌خیز، ممکن است با محدودیت‌هایی در پایداری و ایمنی مواجه شود. در نهایت، بهبود پیوسته تکنولوژی باتری‌ها و رشد ایستگاه‌های شارژ سریع می‌تواند مزیت نسبی جاده‌های بی‌سیم را کم‌رنگ‌تر کند.

آینده حمل‌ونقل با جاده‌های بی‌سیم به کدام سمت می‌رود؟

جاده‌های شارژ بی‌سیم به‌عنوان یکی از آینده‌نگرانه‌ترین پروژه‌های زیرساختی حمل‌ونقل شناخته می‌شوند؛ این فناوری اگرچه امروز در مرحله آزمایش و اجرای محدود است، اما پتانسیل آن برای دگرگون‌سازی زنجیره حمل‌ونقل به‌ویژه در حوزه بارهای سنگین قابل توجه است.

در سناریوی مطلوب، این جاده‌ها می‌توانند به ستون فقرات ناوگان‌های برقی تبدیل شوند؛ به‌ویژه برای کامیون‌هایی که در مسیرهای تکراری و مشخص (مانند مسیرهای لجستیکی بین دو پایانه) فعالیت می‌کنند. در چنین شرایطی، نیاز به باتری‌های بزرگ، ایستگاه‌های شارژ و توقف‌های طولانی از بین می‌رود و شبکه‌ای منعطف جای آن را می‌گیرد که به‌طور دائمی در حال تامین انرژی مورد نیاز کامیون‌های برقی است.

برخی تحلیلگران معتقدند که جاده‌های بی‌سیم، در ترکیب با فناوری‌های دیگر مانند کامیون‌های خودران و انرژی‌های تجدیدپذیر، می‌توانند به تحقق حمل‌ونقل بدون کربن کمک کنند. همچنین استفاده از این فناوری در مناطق ویژه، مانند بنادر، شهرک‌های صنعتی، فرودگاه‌ها یا کریدورهای ترانزیتی، می‌تواند اولین گام در پیاده‌سازی گسترده‌تر آن باشد.

از طرفی، حرکت به سمت اشتراک‌گذاری زیرساخت میان خودروهای مختلف (از سواری تا سنگین) باعث هم‌افزایی در بهره‌وری خواهد شد. با این حال، آینده‌ی این فناوری به سیاست‌گذاری هوشمند، همکاری بین‌المللی و کاهش هزینه‌های پیاده‌سازی وابسته است. اگر این سه عامل در کنار توسعه فنی قرار گیرند، می‌توان امیدوار بود که جاده‌های بی‌سیم نه‌تنها مکمل، بلکه جایگزینی جدی برای ایستگاه‌های شارژ فعلی تبدیل خواهند شد، هرچند در زمان نوشته شدن این مطلب، هنوز زیرساخت‌های ایستگاه‌های شارژ به‌اندازه‌ کافی توسعه پیدا نکرده‌اند.

کدام کشورها پیشتاز توسعه این فناوری هستند؟

سوئد از جمله اولین کشورهایی بود که پروژه‌های جاده‌ی برقی را به‌طور رسمی آغاز کرد. پروژه Smartroad Gotland، با اجرای یک مسیر ۱.۶ کیلومتری بین شهر ویسبی و فرودگاه، نشان داد که حتی در شرایط آب‌وهوایی خاص شمال اروپا هم می‌توان از فناوری القایی برای کامیون‌ها استفاده کرد. دولت سوئد هدف‌گذاری کرده که تا سال ۲۰۳۵ حدود ۲ هزار کیلومتر جاده الکتریکی در کشور ایجاد کند. آلمان نیز پروژه‌هایی با تمرکز بر اتوبان‌ها دارد و حدود ۴ هزار کیلومتر از اتوبان‌هایش را برای نصب سیستم‌های شارژ هوایی یا القایی ارزیابی کرده است.

در ایالات متحده، شهر دیترویت به‌عنوان قطب صنعت خودروسازی، میزبان اولین جاده عمومی مجهز به شارژ بی‌سیم در آمریکاست. این پروژه که با همکاری Electreon و دانشگاه ایالتی یوتا اجرا شده، هنوز در فاز آزمایشی است و مسیرهای شهری و صنعتی را پوشش می‌دهد. فرانسه هم اعلام کرده که قصد دارد تا سال ۲۰۳۵ بیش از ۸ هزار کیلومتر جاده برقی احداث کند. ایتالیا، کره جنوبی و چین نیز مطالعات و پروژه‌های آزمایشی متعددی در این زمینه در دست اجرا دارند.

این کشورها با ترکیبی از سرمایه‌گذاری دولتی، همکاری با استارتاپ‌ها و ایجاد قوانین با تمرکز بر این مهم، در حال آزمایش و توسعه این فناوری هستند و می‌توانند الگوی خوبی برای سایر کشورها در مسیر برقی‌سازی جاده‌ها باشند.

سخن آخر: جاده‌های برقی، دیگر حاصل تخیل نویسندگان نیستند

بپذیریم یا نه، جاده‌های برقی دیگر مفهومی تخیلی و فانتزی در کتاب‌ها و فیلم‌ها نیستند. این جاده‌ها اگرچه هنوز در مراحل ابتدایی توسعه هستند، اما چشم‌اندازی امیدوارکننده برای آینده حمل‌ونقل برقی به‌ویژه در ناوگان‌های سنگین ترسیم می‌کنند.

این فناوری با فراهم‌کردن امکان شارژ در حین حرکت، می‌تواند بسیاری از محدودیت‌های فعلی مانند توقف برای شارژ، وزن زیاد باتری‌ها و نگرانی از کمبود برد و مواد اولیه باتری‌ها را از میان بردارد. با این حال، برای رسیدن به مرحله، باید بر چالش‌هایی چون هزینه بالا، نبود استانداردهای مشترک و پیچیدگی‌های اجرایی غلبه کرد.

نمونه‌های آزمایشی در کشورهایی مثل سوئد، آلمان و آمریکا نشان می‌دهد که این مسیر، با وجود دشواری‌ها، قابل‌اجراست و می‌تواند در آینده‌ای نه‌چندان دور به یکی از اجزای مهم زیرساخت حمل‌ونقل تبدیل شود. به‌ویژه اگر این فناوری در کنار دیگر پیشرفت‌ها مانند خودروهای خودران و انرژی‌های پاک قرار گیرد، نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش آلایندگی و افزایش بهره‌وری سیستم حمل‌ونقل ایفا خواهد کرد.