Drahtlose Energieübertragung: So funktioniert kabelloses Laden und das bringt die Zukunft

Neben dem neuen Smartphone können auch schon Notebooks drahtlos geladen werden. Bisher ist das Feature der kabellosen Laptopladung jedoch noch nicht im Mainstream angekommen. Machbar ist es jedoch schon. Der Strom gelangt über Kupferkabel von den Kraftwerken über das Stromnetz, bis zu unserer Steckdose in die heimischen vier Wände. Ab der Steckdose geht es jedoch weiter. Meist erneut per Kabel an unsere elektronischen Haushaltsgeräte und Co. Prinzipiell weicht diese Art der Energieversorgung nicht viel von der aus dem Beginn des 19. Jahrhunderts ab, als die ersten Kraftwerke gebaut wurden.

Nikola Tesla wollte Energie von New York nach Europa kabellos transportieren

Nikola Tesla (1856-1943), der Erfinder und Pionier der Elektrotechnik, wusste schon zu Lebzeiten dass die Menschen Energie lieben und in großen Mengen benötigen werden. Im Zuge der Elektrifizierung von Häusern, Fabriken und Co lag das auf der Hand. Nun wurden damals die ersten Kraftwerke weit weg von Europa entrichtet. Zu den ersten seiner Art zählte das Kraftwerk in Niagara Falls. Tesla überlegte, wie sich die dort gewonnene Energie unter die Leute bringen ließe und kabellos über die Ionosphäre nach Europa transportiert werden könnte. Tesla war nahezu davon besessen Energie ganz ohne Kabel zu übertragen. Um seine Vision in die Tat umzusetzen, baute Nikola Tesla einen 57 Meter hohen Turm auf Long Island im US-Bundestaat New York. Es handelt sich dabei um den Wardenclyffe Tower. Ein Funkturm aus Holz. Tesla zufolge sollte das der weltweit erste von vielen weiteren Türmen sein, die Energie kabellos um den Erdball schicken. Der Turm wurde nie beendet. Forscher bestätigen, dass selbst wenn das Vorhaben beendet worden wäre, hätte es doch an Sicherheit und schließlich auch Effizienz gemangelt. Aber was hatte Tesla denn da vor? Er wollte Blitze erzeugen, die den Strom durch die Erdatmosphäre zu den Kunden befördern. Das Ganze funktionierte allerdings nicht, so dass das Thema der drahtlosen Energieübertragung zunächst wieder auf Eis gelegt wurde.

Wie funktioniert das drahtlose Versenden von Strom?

Mittlerweile wissen wir, dass es durchaus Möglichkeiten gibt, elektrische Energie kabellos zu transportieren. Prinzipiell kann Energie in jeder Form mit der Hilfe von Wellen oder Teilchen transportiert beziehungsweise übertragen werden. Im Hinblick auf elektrische Energie, muss sich der elektromagnetischen Welle (Radio- Mikro- oder auch Lichtwelle) als Mittler bedient werden. Einmal kann hier die Welle selbst genutzt werden. So dass elektrische Energie per Funk drahtlos weitergeleitet wird. Im Alltag macht sich das beispielsweise beim Radioempfang oder der Nutzung von WLAN bemerkbar. Auch das Telefonieren mit dem Handy ist ein Beispiel des drahtlosen Sendens von Elektronen. Schließlich gelangen all diese Signale per elektromagnetischer Strahlung zu unseren Geräten. Problematisch ist jedoch der verschwindend geringe Anteil der tatsächlich übertragenen Energie. Zum Laden größerer Energiespeicher reicht das nicht aus. Der geringe Energieanteil liegt zum einen daran, dass es Grenzen gibt, die zum Schutz der Lebenwesen errichtet wurden. Die Werte legt die Internationale Strahlenschutzkommission fest. Als Richtwert zählt die Energie, die im menschlichen Körper Wärme erzeugt. Diese Energie ist wiederum proportional zu der Feldstärke und der Frequenz. Das heißt, wenn die Feldstärke erhöht wird, muss die Frequenz herabgesetzt werden und umgekehrt. Wenn nun genügend Energie übertragen werden soll, die beispielsweise ein Radio aus der Ferne mit Strom versorgen könnte, dann müsste die Feldstärke extrem hoch sein. Das wiederum wäre gesundheitsschädlich für alle, die das Funksignal durchkreuzen. Und es gibt noch einen weiteren Grund, der gegen diesen Ansatz spricht. Selbst wenn garantiert werden könnte, dass der Weg frei ist, müsste man schon sehr genau zielen. Diese Form der Energieübertragung würde sich also für den Hausgebrauch nicht lohnen: Zumindest nicht über größere Distanzen. Liegen allerdings nur wenigen Zentimeter zwischen dem Empfangsgerät und der Stromquelle, kann die magnetische Komponente (bestehend aus magnetischen und elektrischen Feldern) genutzt werden, um Strom zu übertragen. Namentlich handelt es sich hierbei um die bereits bekannte und von den Smartphoneherstellern seit einiger Zeit auch schon eingesetzte induktive Ladung. Diese Systeme sind recht vielseitig einsetzbar. Auch der Wirkungsgrad von über 90 Prozent kann sich durchaus sehen lassen. Bei der kabellosen Ladung per Induktion fließt Wechselstrom durch eine elektrisch leitende Spule. Daraus wird dann ein Magnetfeld erzeugt. Dabei ändert sich die Richtung im gleichen Takt wie das Vorzeichen des Stroms. Während beim Induktionsherd der Topf entsprechend erhitzt wird, regt die Energie, die beim induktiven Laden transportiert wird, ein Stromfluss in einer benachbarten Spule an. Diese versorgt wiederum das Empfangsgerät mit Energie.

Elektroautos beleben Interesse an der drahtlosen Energieübertragung

Die drahtlose Energieübertragung per Induktion ist nicht neu und wurde schon lange Zeit bei der Magnetschwebebahn angewendet. Allerdings lässt der Boom der Elektroautos diese Technologie wieder auferstehen. Wurden Forscher, die vor 15 Jahren bereits Systeme zeigten, wie Autos per Induktion geladen werden könnten, ausgelacht, sind die Entwicklungen heute begehrt. Elektroautos können heute schon per Induktion kabellos geladen werden. Wissenschaftlich sind sich auch einig darüber, dass ein Cluster aus solchen System durchaus auch in Straßen verbaut werden kann, um in Zukunft das Elektroauto auf dem heimischen Parkplatz per Induktion laden zu können. Auch auf der Autobahn könnte man während der Fahrt das Elektroauto laden, was ein absoluter Durchbruch wäre. In der Folge könnte man die Batterien der Elektroautos wieder kleiner bauen, was zuletzt auch wieder Ressourcen einsparen lässt und die Umwelt schont.

Einsatz in der Medizin

Die drahtlose Energieübertragung eignet sich neben Autos und Zügen auch im medizinischen Bereich ziemlich gut. Gemeint ist dabei die Versorgung von Kunstherzen und Herzunterstützungssysteme, die wesentlich mehr Leistung benötigen als ein Herzschrittmacher. Bisher müssen diese Systeme bei den Patienten noch über Kabel versorgt werden. Zumindest um deren Energiespeicher wieder zu befüllen, ist ein Anschluss an eine externe Stromquelle per Kabel erforderlich. Es ist nicht selten, dass durch die austretenden Kabel schmerzhafte Entzündungen entstehen. Forscher arbeiten somit daran, die benötigte Energie per Induktion in den Körper zu übertragen.

In Zukunft werden einige Kabel aus unserem Haushalt verschwinden

Kontaktloses Laden der Zahnbürste und des Smartphones sorgt schon einmal für eine Reduzierung der Stromkabel. Hersteller haben es bereits hier geschafft sich auf einen sogenannten Qi (chinesisches Wort für „Lebensenergie“)- Standard zu einigen. Dieser beträgt 3 Watt. Dank dieser Vereinheitlichung, können verschiedene elektronische Geräte eine einzige Ladestation nutzen.