Aktuelle kabellose Ladepads nutzen überwiegend die Nahbereichsinduktion und sind sehr effizient, können aber nur in der Nähe des zu ladenden Geräts laden. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass es durch die Nutzung der Strahlungsunterdrückungsfähigkeiten von Rahmenantennen möglich ist, Geräte nicht nur über größere Entfernungen mit einem Wirkungsgrad von über 80 %, sondern auch in verschiedene Richtungen aufzuladen, was den Weg für eine neue Ära der drahtlosen Energieübertragung ebnet, die für Geräte von mobilen Geräten bis hin zu biomedizinischen Implantaten geeignet ist.
Die Berücksichtigung von Strahlungsverlusten ist für eine effiziente drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen von entscheidender Bedeutung. Ingenieure der Aalto-Universität haben eine verbesserte Methode zum kabellosen Laden über große Entfernungen entwickelt. Durch die Verbesserung der Interaktion zwischen Sende- und Empfangsantennen und die Ausnutzung des Phänomens der „Strahlungsunterdrückung“ vertiefen sie unser theoretisches Verständnis der drahtlosen Energieübertragung über herkömmliche induktive Methoden hinaus – ein großer Fortschritt auf diesem Gebiet.
Das Laden über kurze Distanzen, beispielsweise das Laden über ein Induktionspad, bei dem ein Nahfeld-Magnetfeld zur Übertragung elektrischer Energie genutzt wird, ist sehr effizient, bei längeren Distanzen nimmt die Effizienz jedoch stark ab. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass diese hohe Effizienz über große Entfernungen aufrechterhalten werden kann, indem die Strahlungsimpedanz der Rahmenantenne, die elektrische Energie sendet und empfängt, unterdrückt wird.
Zwei Rahmenantennen (Radius: 3,6 cm) können im Abstand von 18 cm gegenseitig Leistung übertragen. Bildquelle: NamHa-Van/AaltoUniversity
Zuvor entwickelte das Labor ein omnidirektionales kabelloses Ladesystem, das Geräte in jede Richtung laden kann. Jetzt haben sie diese Arbeit um eine neue Theorie der Dynamik des drahtlosen Ladens erweitert, die Entfernungen und Bedingungen im Nahbereich (nicht strahlend) und in der Ferne (strahlend) genauer untersucht. Insbesondere zeigten sie, dass mit optimalen Frequenzen im Hunderte-Megahertz-Bereich hohe Übertragungseffizienzen von über 80 % bei Entfernungen erreicht werden können, die etwa fünfmal so groß wie die Antenne sind.
„Wir wollten die effektive Sendeleistung mit Strahlungsverlusten ausgleichen, die immer über größere Entfernungen auftreten“, sagte Erstautor Nam Ha-Van, Postdoktorand an der Aalto-Universität. „Es stellt sich heraus, dass wir die Strahlungsverluste ausgleichen können, wenn die Ströme in der Rahmenantenne gleiche Amplituden und entgegengesetzte Phasen haben, und dadurch die Effizienz erhöhen.“
Forscher haben eine Methode entwickelt, die eine mathematische oder experimentelle Analyse jedes drahtlosen Energieübertragungssystems ermöglicht. Dies ermöglicht eine umfassendere Beurteilung der Leistungsübertragungseffizienz auf kurzen und langen Distanzen, die bisher nicht möglich war. Anschließend testeten sie, wie das Laden zwischen zwei Rahmenantennen (siehe Abbildung) funktioniert, die im Verhältnis zu ihrer Größe recht weit voneinander entfernt sind, und identifizierten die Strahlungsunterdrückung als den Mechanismus, der zur Verbesserung der Übertragungseffizienz beiträgt.
„Es geht darum, das beste Setup für die drahtlose Energieübertragung zu finden, sowohl über kurze als auch über große Entfernungen“, sagte Ha-Van. „Mit unserer Methode können wir nun die Übertragungsreichweite über herkömmliche drahtlose Ladesysteme hinaus erweitern und gleichzeitig eine hohe Effizienz beibehalten. Die drahtlose Energieübertragung ist nicht nur für Telefone und Gadgets wichtig, sondern auch biomedizinische Implantate mit begrenzter Batteriekapazität können davon profitieren. Die Forschung von Ha-Van und Kollegen kann auch Hindernisse wie menschliches Gewebe berücksichtigen, die das Laden behindern könnten.“