Effizienter schnurlos Laden dank PT-Symmetrie

Elektrische Zahn­bürsten und Smartphones können bereits schnurlos über induktive Kopplung aufgeladen werden. Auch für Elektro­autos sind erste stationäre Lade­techniken ohne Stromkabel in der Entwicklung. Das Aufladen funk­tioniert allerdings nur gut bei einem statischen, konstanten Abstand zwischen den Induktions­spulen. Diese Einschränkung konnte nun ein Physiker­team an der kali­fornischen Stanford Uni­versity beseitigen. Auf der Basis der Spiegelung- und Zeitumkehr­symmetrie, kurz PT-Symmetrie, entwickelten sie ein schnur­loses Ladesystem, das bei Änderung des Spulen­abstands keine Effizienz­einbußen zeigte. Dieser Ansatz bietet ein großes Potenzial für das schnur­lose Aufladen von Smart­phones ohne statisches Lademodul oder von Elektro­autos während der Fahrt.

Schnurloses Aufladen: Shanhui Fan (l.) und Sid Assawaworrarit vor ihren Induktionsspulen, mit denen sie trotz variierender Abstände Strom mit konstanter Effizienz übertragen konnten. (Bild: M. Shwartz, Stanford U.)

Die konven­tionelle schnurlose Lade­technik nutzt die induktive Kopplung zwischen zwei Induktions­spulen. Mit Radiowellen einer festen Frequenz lässt sich elektro­magnetische Energie auf die Sender­spule übertragen und nach der magne­tischen Induktion von der Empfänger­spule über einen Gleich­richter wieder abgreifen. Wird der Abstand zwischen den beiden Spulen jedoch variiert, ändern sich die Resonanz­bedingungen und die Übertragungs­effizienz ver­ringert sich deutlich. Optimal konfi­guriert konnte mit Spulen­durchmessern von 25 Zenti­metern eine elek­trische Leistung von sechzig Watt bereits über zwei Meter Entfernung mit etwa vierzig Prozent Wirkungs­grad über­tragen werden.

Shanhui Fan und seine Kollegen vom Ginzton Labo­ratory in Stanford ver­zich­teten nun auf die Anregung der Sender­spule mit einem Oszil­lator. Statt­dessen schlossen sie die Senderspule an einen Spannungs­verstärker an, der eine Selbst­regelung der Strom­übertragung erlaubte. Induktiv gekoppelt mit der Empfänger­spule zeigte das gesamte System eine PT-Symmetrie. Wurde nun der Abstand der gut einen halben Meter durch­messenden Kupfer­draht-Spulen zwischen zwanzig und siebzig Zenti­meter variiert, änderten sich die Resonanz­bedingungen. Selbst­ständig regelte der Spannungs­verstärker nach, so dass die Übertragungs­frequenz nicht konstant bei 2,5 Megahertz verharrte, sondern sich innerhalb von einigen Dutzend Milli­sekunden im Bereich zwischen 2,2 und 2,8 MHz ver­änderte. Dabei blieb die Effizienz der Strom­übertragung konstant bei seinem Maximal­wert.

Eindrucks­voll de­monstrier­ten die Forscher die Selbst­regelung mit einer an die Empfänger­spule ange­schlossenen Leucht­diode. Bei einer konven­tionellen Stromüber­tragung nahm die Leucht­intensität mit zunehmenden Abstand rapide ab. Mit dem neuen System jedoch strahlte die LED bis zu einem Spulen­abstand von knapp einem Meter mit konstanter Helligkeit. Aller­dings rangierte die so über­tragende Leistung nur bei etwa einem Milliwatt. Den Wirkungs­grad des Gesamt­systems bezif­ferten die Forscher auf etwa zehn Prozent.

„Diese Ergeb­nisse sind aus mehreren Gründen beein­druckend“, beurteilt Geoffroy Lerosey vom Langevin Institut in Paris die Stan­forder Versuche. So demonstriere diese Strom­übertragung die Gültig­keit der PT-Symmetrie in einem makro­skopischen Modell. Zudem verein­fachten Fan und Kollegen den Aufbau von schnur­losen Lade­geräten, indem sie eine sonst fein zu justierende Radiowellen­quelle gegen einen Spannungs­verstärker austauschten. Besonders für das Aufladen elek­tronischer, medi­zinischer Implantate oder für Elektro­autos sieht Lerosey ein großes Anwendungs­potenzial.

Bis diese bereits zum Patent ange­meldete Techno­logie das schnurlose Aufladen revolu­tionieren könnte, müssen aber noch einige Hürden über­wunden werden. So wurde der Abstand der Spulen bisher nur entlang einer festen Achse verändert und die konstante Übertragungs­effizienz müsste noch bei ver­änderten Winkeln zwischen den Spulen gezeigt werden. Ob die Selbst­regelung von Spannungs­verstärkern auch bei sich sehr schnell ändernden Abständen funk­tioniert – essentiell für das Aufladen fahrender Elektro­autos –, ist bisher noch nicht absehbar. Und schließ­lich gilt es, die Übertragungs­leistung noch um mehrere Größen­ordnungen bis in den Kilowatt­bereich zu steigern. (Quelle: pro-physik.de, J. O. Löfken)

Referenz: S. Assawaworrarit et al.: Robust wireless power transfer using a nonlinear parity–time-symmetric circuit, Nature 546, 387 (2017); DOI: 10.1038/nature22404

Link: Ginzton Laboratory, Dept. of Electrical Engineering, Stanford University

Weitere Literatur: A. Kurs et al.: Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science 317, 83 (2007); DOI: 10.1126/science.1143254 • C. E. Rüter et al.: Observation of parity–time symmetry in optics. Nat. Phys. 6, 192 (2010); DOI: 10.1038/nphys1515

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