Magnetische Induktion

Wie Akkus kontaktlos im Raum Strom tanken

Von Manfred Lindinger
01.09.2021
, 16:19
Nah dranhalten, heißt  es bisher bei  vielen Ladestationen.   Das könnte sich bald ändern.
Aufladen von Kleingeräten ohne Kabel aus beliebiger Entfernung – dieser Traum vieler Nutzer könnte bald Realität werden. Die induktive magnetische Kopplung macht es möglich.
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Die Nutzer von Smartphones, MP3-Playern und Laptops teilen das gleich Los. Sie müssen ihre akkubetriebenen Kleingeräte immer wieder aufladen. Das ist nicht nur zeitraubend, sondern auch lästig, besonders dann, wenn man gerade unterwegs und keine Steckdose verfügbar ist. Praktischer wäre es, die Akkus würden sich von selbst aufladen, wenn sie leer sind. Und das ohne Ladekabel und über eine möglichst große Entfernung. Eine japanisch-amerikanische Forschergruppe ist dieser Vision jetzt ein Stück näher gekommen. Ihr Verfahren ermöglicht es, ein Handy überall in einem Wohnraum kontaktlos zu laden.

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Die Forscher um Takuya Sasatani von der Universität Tokio nutzen das Prinzip der magnetischen Kopplung, die man auch bei Transformatoren und modernen Induktionskochfeldern verwendet. Dabei induziert ein magnetisches Wechselfeld, das in einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird, in einer benachbarten Spule einen elektrischen Strom. Übertragen wird die elektrische Energie durch das magnetische Wechselfeld. Das Übertragungsmedium ist die Luft.

Die induktive Kopplung funktioniert gewöhnlich nur über Distanzen von wenigen Zentimetern, was man bereits bei einigen kabellosen Ladestationen für Handys und auch bei elektrischen Zahnbürsten nutzt.

Dass man mit der magnetischen Induktion elektrische Energie sogar über eine Entfernung von zwei Metern übertragen kann, haben vor einigen Jahren Forscher um André Kurs vom Massachusetts Institute of Technology demonstriert, indem sie eine 60-Watt-Glühbirne drahtlos zum Leuchten brachten. Voraussetzung für den Erfolg des Experiments war, dass die 60 Zentimeter große Empfangsspule, die mit der Glühbirne verbunden war, exakt auf die Frequenz der gleich großen Sendespule abgestimmt war.

Kontaktloses Laden ohne Gesundheitsrisiko

Allerdings mussten beide Spulen fest fixiert sein. Wurde nur eine hin und her bewegt, änderte sich die Resonanzfrequenz, und die Effizienz der Energieübertragung verringerte sich. Mit einem selbstregelnden Spannungsverstärker, der für jede Entfernung die optimalen Energieübertragung suchte, konnten später Kollegen von Kurs den Schwachpunkt beheben. Sende- und Empfängerspule konnten nun über eine Distanz von 20 bis 120 Zentimetern gegeneinander verschoben werden, ohne dass sich die Helligkeit der LED änderte.

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Takuya Sasatani und seine Kollegen sind einen Schritt weiter gegangen. Sie haben einen 3 mal 3 mal 2 Meter großen Raum gewissermaßen in eine dreidimensionale Ladestation verwandelt. Ein Smartphone kann dort überall aufgeladen werden. Möglich macht das ein besonderer Resonanzeffekt, bei dem der Raum selbst zum Resonator wird. In ihrem Experiment haben die Forscher die Wände mit einer Metalloberfläche ausgekleidet. Die magnetische Sendespule war in der Mitte positioniert worden.

Messungen mit Sensoren ergaben, dass sich innerhalb des Raumes ein gleichmäßiges magnetisches Feld ausbildete. Ein Handy, eine Glühbirne und ein Ventilator, die jeweils mit einer kleinen Empfängerspule ausgestattet waren, ließen sich kabellos an jeder Stelle des Raums betreiben. Die Leistungsübertragung betrug bis zu 50 Prozent, wie Sasatani und seine Kollegen in der Zeitschrift Nature Energy schreiben. Allerdings muss die Sendespule beim Laden möglichst senkrecht zu den Feldlinien ausgerichtet werden, damit die optimale Übertragung erreicht wird.

Die Forscher untersuchten auch, ob von den Feldern ein Gesundheitsrisiko droht. Anhand eines menschlichen Modells ermittelten sie, wie viel Energie biologisches Gewebe absorbiert, wenn sich ein Mensch in dem Raum aufhält. Die Forscher haben keine Bedenken. Ihre Messergebnisse bewegen sich im Rahmen der von der amerikanischen Bundeskommunikationskommission (Federal Communications Communications) und dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) vorgegebenen Grenzwerte. Patienten mit einem Herzschrittmacher sollten allerdings eher vorsichtig sein.

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Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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