Drahtlose Energieübertragung
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Drahtlose Energieübertragung Facharbeit im Leistungskurs Physik Städtisches Gymnasium Sundern eingereicht bei Herrn Herbert Müller Christian Pötter Lindenstraße 4 59846 Sundern-Langscheid Langscheid, 31. März 2009 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Reflexion zur Erschließung des Themas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Methodische Überlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Kopplung von Schwingkreisen durch Resonanz 2.5 Tesla-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Nikola Tesla 3.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 System of Transmission of Electrical Energy - US Patent Nr. 645.576 3.3 US Patent Nr.787,412 und 1,119,732 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 . . . . . 2 2 5 7 10 11 . . . . 13 13 13 15 17 4 Zahnbürste 18 5 Passive RFID-Transponder 18 6 WiTricity 20 6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6.2 Versuchdaten/Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 7 Space Based Solar Power 27 7.1 Energieübertragung via Mikrowellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 7.2 Energieübertragung via Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 8 Gefährdung für den Menschen 31 9 Zusammenfassung 32 10 Literaturverzeichnis 33 11 Abbildungsverzeichnis 35 12 Anmerkungen zu Abbildungen und Literatur 36 13 Versicherung der selbständigen Abfassung der Arbeit 37 Drahtlose Energieübertragung Seite 1 1 Einleitung 1.1 Reflexion zur Erschließung des Themas Am 22. August 2008 stellte der Chip-Hersteller Intel ein Verfahren vor, mit dem man Notebooks in Zukunft drahtlos mit Strom versorgen können soll. Justin Rattner, Vizepräsident und Technologie-Chef des Unternehmens, demonstrierte dies, indem er eine 60 Watt Glühbirne ohne Anschluss eines Kabels in einer Entfernung von 30cm zum Leuchten brachte. [7] Abbildung 1: Versuchsaufbau Intel Dieses brachte mich auf die Idee, mich näher mit diesem Thema zu beschäftigen. Unter anderem stellte ich mir die Fragen, wie effizient diese Übertragungstechnik ist, wie man sie umsetzten kann und ob sie für den Menschen gefährlich ist. 1.2 Methodische Überlegungen Ich werde zuerst nach vergleichbaren Zielsetzungen in der Vergangenheit suchen. Anschließend werde ich recherchieren, ob, und wenn ja, wo eine drahtlose Energieübertragung bereits heute eingesetzt wird, um schließlich mit Visionen für die Zukunft zu enden. Drahtlose Energieübertragung Seite 2 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Induktion Die erste Idee eines jeden Physikers, wenn man ihn auf drahtlose Energieübertragung anspricht, wird höchstwahrscheinlich die Induktion sein. Das Grundprinzip dahinter ist Folgendes: Wenn ein Strom durch einen elektrischen Leiter fließt, entsteht um ihn herum ein magnetisches Wirbelfeld. B= µr · µ0 · I 2π · r (1) B : Magnetische Flussdichte µr : relative Permeabilität µ0 : magnetische Feldkonstante I : elektrische Stromstärke r : Abstand vom Leiter Dieses physikalische Phänomen lässt sich allerdings auch umkehren. Bewegt man einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, so wird eine Spannung im Leiter induziert. Dieses Phänomen bezeichnet man als Induktion. Es wurde als erstes von dem Physiker Michael Faraday im Jahre 1831 entdeckt. Diese Erscheinung lässt sich mit Hilfe der Lorentzkraft erklären: Die Lorentzkraft wirkt auf bewegliche elektrische Ladungen in einem Magnetfeld. FL = q · v · B · sin α (2) FL : Lorentzkraft q : bewegliche elektrische Ladung B : Magnetische Flussdichte v : Geschwindigkeit ~ α : Winkel zwischen ~v und B Wenn man also einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld B mit der Geschwindigkeit v bewegt, wirkt die Lorentzkraft auf die beweglichen elektrischen Ladungen q in diesem. Diese werden nun aufgrund der Lorentzkraft in eine Richtung bewegt, welche sich mit der Drahtlose Energieübertragung Seite 3 Drei-Finger-Regel bestimmen lässt. Hierbei sammeln sich die Elektronen in einer Hälfte des Leiter. Aus diesem Grund entsteht in der anderen Hälfte des Leiters ein Elektronenmangel. Eine Spannung entsteht. |Ui | = B · l · v · sin α (3) Ui : Induktionsspannung B : Magnetische Flussdichte l : Länge des Leiters v : Geschwindigkeit ~ α : Winkel zwischen ~v und B Allerdings muss der Leiter nicht zwingend bewegt werden, um in diesem einen Strom zu induzieren. Es wird auch ein Strom induziert, wenn sich der Magnetische Fluss in einer Leiterschleife ändert. Φ = B · A0 · cosα (4) Φ : Magnetischer Fluss B : Magnetische Flussdichte A0 : Querschnittsfläche der von der Leiterschleife gebildeten Fläche Der Magnetische Fluss gibt die Anzahl der Feldlinien in einer Leiterschleife an. Dieser Fluss ändert sich, wenn sich das Magnetfeld oder die wirksame Querschnittsfläche der Leiterschleife ändert. Somit wird in diesen beiden Fällen ein Strom im Leiter induziert. Dieses fand der Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1861 heraus. Für eine Spule ergeben sich somit folgende Formeln. N ·I l (5) Ui = −N · Φ̇ (6) B = µr · µ0 · B : Magnetische Flussdichte µr : relative Permeabilität Drahtlose Energieübertragung Seite 4 µ0 : magnetische Feldkonstante N : Anzahl der Windungen der Spule I : elektrische Stromstärke l : Länge der Spule Ui : Induktionsspannung Φ : Magnetischer Fluss Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in einem elektrischen Leiter, zum Beispiel einer Spule, ein Strom induziert wird, wenn sich dieser oder das Magnetfeld bewegt bzw. das Magnetfeld zeitlich seine Stärke ändert. Drahtlose Energieübertragung Seite 5 2.2 Transformator Abbildung 2: Aufbau eines Transformator [21] Ein Transformator dient dazu, die Spannung und die Stromstärke eines Stromes zu ändern. Sein Funktionsprinzip ist eine praktische Umsetzung der Induktion, wobei die Spule, welche das Magnetfeld erzeugt, und die Spule, in der eine elektrische Spannung induziert wird, durch einen Eisenkern miteinander verbunden sind. Die Spule, die sich im Primärkreis befindet, hat eine andere Windungszahl, als jene im Sekundärkreislauf. Wenn man nun den Magnetischen Fluss (7) der beiden Spulen betrachtet, Φ = B · A0 · cosα (7) fällt auf, dass man bei beiden Spulen zu dem selben Ergebnis kommt. Die wirksame Fläche A der Spulen ist bei beiden die Selbe, da sie beide um den selben Eisenkern gewickelt sind und somit den gleichen Durchmesser und auch den gleichen wirksamen Flächeninhalt haben. Das magnetische Feld ist das Selbe, da das Magnetfeld, welches die erste Spule erzeugt, durch den Eisenkern nahezu verlustfrei in die zweite Spule übertragen wird. Drahtlose Energieübertragung Seite 6 Wenn man nun das Induktionsgesetz für Spulen (8) nach dem Magnetischen Fluss umformt Ui = −N · Φ̇ (8) Ui = Φ̇ N (9) (10) und die beiden entstandenen Gleichungen für die beiden Spulen gleichsetzt, so ergibt sich folgendes Übersetzungsverhältnis zwischen Spannung und Windungszahl der beiden Spulen (13): [17] U1 U2 = N1 N2 (11) U1 · N2 = U2 · N1 (12) N1 U1 = U2 N2 (13) Da die elektrische Leistung (14) an einem stark belasteten Transformator an beiden Spulen identisch ist, lässt sich obige Gleichung um die Stromstärke folgendermaßen erweitern (17): P = U ·I (14) U1 · I1 = U2 · I2 (15) U1 I2 = U2 I1 (16) N1 I2 U1 = = U2 N2 I1 (17) N1 : Windungszahl der ersten Spule N2 : Windungszahl der zweiten Spule U1 : Spannung im ersten Stromkreis U2 : Spannung im zweiten Stromkreis I1 : Stromstärke im ersten Stromkreis I2 : Stromstärke im zweiten Stromkreis Drahtlose Energieübertragung Seite 7 2.3 Schwingkreis Die Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Spule wird allgemein hin als Schwingkreis bezeichnet. Bevor der Kondensator jedoch in die Schaltung eingesetzt wird, muss er geladen werden. L1 C3 Abbildung 3: Schaltplan Schwingkreis Wenn der Kondensator sich nun entläd, fießt der Strom durch die Spule, welche ein Magnetfeld aufbaut. Wenn der Kondensator sich komplett entladen hat, hat das Magnetfeld sein Maximum an Größe und Stärke erreicht. Nun ist die komplette Energie von elektrischer Feldenergie in magnetische Feldenergie umgewandelt worden. Anschließend nimmt die Stärke des Magnetfeldes wieder ab und induziert dabei eine Spannung in der Spule, welche wiederum im Kondensator gespeichert wird, bis das Magnetfeld sich komplett abgebaut hat. Das nun im Kondensator gespeicherte Potenzial entspricht genau dem Potenzial vom Anfang, nur mit einem anderen Vorzeichen. Folglich wechseln sich bei einem Schwingkreis ein elektrisches und ein magnetisches Feld ständig ab. Dieses wiederholt sich nun immer wieder. Hierbei entsteht eine gedämpfte Schwingung, dass heißt, die Amplitude der Schwingung nimmt ständig ab, welches durch den Ohm’schen Widerstand der Kabel bzw. 2,5der Spule begründet werden kann. 1 mag. Feld 0 2,5 5 7,5 el. Feld -2,5 1 Abbildung 4: Phasenverschiebung Schwingkreis Da dieses für die Phasenverschiebung jedoch irrelevant ist, werde ich es jedoch bei folgender Skizze vernachlässigen. Drahtlose Energieübertragung Seite 8 Durch die Abwechslung von magnetischem und elektrischem Feld ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung. In dem Moment, in dem die komplette Energie im Kondensator gespeichert ist, ist auch die Spannung an diesem maximal, jedoch fließt kein Strom. Wenn sich hingegen die komplette Energie im Magnetfeld befindet, fließt der maximale Strom, die Spannung am Kondensator beträgt jedoch 0V . [1] 90° 0°/360° 180° 270° Abbildung 5: Sinus Somit erhalten wir eine Phasenverschiebung von 90◦ zwischen Stromstärke und Spannung im Schwingkreis. Herleitung der Resonanzfrequenz Der Kondensator und die Spule in einem Schwingkreis sind in Reihe geschaltet. Für den Gesamtwiderstand in einer Reihenschaltung gilt: Rges = R1 + R2 + ... + Rn (18) Der Scheinwiderstand bzw. die Impedanz einer Spule ist definiert durch XL = 2 · π · f · L (19) Die Impedanz eines Kondensators ist definiert durch XC = 1 2·π·f ·C (20) wobei die Phasenverschiebung im Schwingkreis durch −sin90◦ = −1 (21) Drahtlose Energieübertragung Seite 9 ausgeglichen wird, wodurch sich die Impedanz des Kondensators folgendermaßen ändert XC = − 1 2·π·f ·C (22) Somit erhalten wir für die Gesamtimpedanz des Schwingkreises: Z = 2·π·f ·L− 1 2·π·f ·C (23) Wenn man sich diese Gleichung genauer ansieht, ist die einzig variable Größe der Gesamtimpedanz die Frequenz, da die Induktivität der Spule L= µ0 · µr · N 2 · A l (24) von dessen Bauart abhängt und die Kapazität des Kondensators C= Q U (25) von dessen Ladung bzw. Spannung, welche vorgegeben sind. Da die Natur immer den Weg des geringsten Widerstandes geht, dieser wäre in unserm Fall 0 Ω, stellt sich die Frequenz auf den bestimmten Wert ein, indem sich die beiden Scheinwiderstände aufheben. Z = 0Ω (26) 0 = 2·π·f ·L− 2·π·f ·L = 1 2·π·f ·C 1 2·π·f ·C 1 · ·C ·L 1 √ f = ± 2·π· C ·L f2 = 22 π2 (27) (28) (29) (30) Drahtlose Energieübertragung Seite 10 2.4 Kopplung von Schwingkreisen durch Resonanz Zwei Schwingkreise, die die selbe Resonanzfrequenz haben, sind in der Lage, über das Phänomen der elektromagnetischen Kopplung effizient Energie auszutauschen, während Gegenstände mit einer anderen Resonanzfrequenz kaum hiervon beeinflusst werden. Damit man sich dieses besser vorstellen kann, hier ein Beispiel der akustischen Kopplung. Man stelle sich einen Raum mit 100 Gläsern vor, welche alle bis zu einem unterschiedlichen Stand mit Wasser gefüllt sind. Dieses bedeutet, dass, wenn man sie beispielsweise mit einem Löffel anstoßen würde, alle einen unterschiedlichen Ton mit einer unterschiedlichen Frequenz erzeugen würden. Diese bezeichnet man als Eigenfrequenz. Nun kommt eine Opernsängerin oder ein Opernsänger in den Raum und singt nur einen langen Ton. Wenn dieser Ton nun die selbe Frequenz wie eines der Gläser hat, dann wird dieses zum Schwingen angeregt. Energie wird übertragen. Diese Energieübertragung kann sogar so stark sein, dass das Glas platzt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Resonanzkatastrophe. Alle anderen Gläser zeigen keine Reaktion. Sie werden nicht von den Wellen beeinflusst, da diese eine andere Eigenfrequenz haben. Ein anderes Beispiel für die Kopplung findet man in der Mechanik: Stellen sie sich ein Kind auf einer schwingenden Schaukel vor. Nur, wenn das Kind mit seinen Füßen in der gleichen Frequenz wie die Schaukel schwingt, ist es in der Lage, Energie auf die Schaukel zu übertragen. Außerdem braucht das Kind keine großen Anstrengungen zu unternehmen, die Amplitude der Schwingung der Schaukel zu vergrößern, wenn es mit seinen Füßen der Schwingung der Schaukel immer eine Viertel-Schwingung voraus ist. Wenn wir dieses nun wieder auf den Sachzusammenhang beziehen, entspricht die verfrühte Schwingung der Füße einer Phasenverschiebung von 90◦ zwischen den beiden Schwingkreisen. Somit muss der Primärschwingkreis nur mit der ersten Schwingung den Sekundärschwingkreis in Resonanz versetzen. Da dieser die selbe Resonanzfrequenz hat, erhält er die Schwingung von selbst aufrecht. Bei den weiteren Schwingungen dient der Primärkreislauf lediglich dazu, dem Sekundärschwingkreis mehr Energie zuzuführen. Die Energieübertragung selbst findet entweder durch das elektrische Feld, Entstehung eines Luft-Kondensators, oder das magnetische Feld, Entstehung eines Luft-Transformators, statt. [22] Drahtlose Energieübertragung Seite 11 2.5 Tesla-Transformator Abbildung 6: Tesla-Transformator [23] Der Tesla-Transformator ist eine Apparatur, mit der man eine sehr hohe Spannung erzeugen kann, um zum Beispiel einen künstlichen Blitz zu erzeugen. Abbildung 7: Schaltbild Tesla-Transformator [23] Das Grundprinzip des Tesla-Transformators baut auf zwei induktiv gekoppelten Schwingkreisen auf. Im ersten Stromkreis befindet sich eine Wechselstromquelle, ein Kondensator, eine Spule und eine Funkenstrecke. Bei geschlossener Funkenstrecke bildet ein Teil dieses Stromkreises den ersten Schwingkreis. Im zweiten Stromkreis befindet sich eine Spule, Drahtlose Energieübertragung Seite 12 wobei diese an einem Ende geerdet ist und am anderen Ende mit einer Metallkugel verbunden ist. Diese bildet zusammen mit der Erde einen Kondensator. Hierdurch entsteht in diesem Stromkreis der zweite Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz beider Schwingkreise ist identisch. Der sich im Primärkreis befindende Kondensator hat eine höhere Kapazität in Bezug auf den Kondensator im Sekundärkreis, die Spule jedoch eine sehr viel geringe Windungszahl und somit auch eine geringe Induktivität als die im Sekundärkreis. Wenn man somit nur die beiden induktiv gekoppelten Spulen betrachtet und sich den Aufbau eines normalen Transformators ansieht, fällt auf, dass im Sekundärkreislauf eine sehr viel höhere Spannung induziert wird, als am Primärkreislauf angelegt wurde. Wenn man nun eine Wechselspannung mit einer sehr viel geringeren Frequenz als die Resonanzfrequenz der Schwingkreise an den Primärkreis anschließt, wird der Kondensator im selben Kreislauf geladen, bis die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke erreicht ist, dass heißt, die Luft zwischen den Kabelenden ionisiert und leitend wird. Nun bilden die Spule und der Kondensator im Primärkreis einen Schwingkreis. Eine gedämpfte, hochfrequente Schwingung entsteht. Da, wie eben beschrieben, die Spulen aus den beiden Schwingkreisen einen Luft-Transformator bilden, wird nun über Induktion, während sich das Magnetfeld im ersten Schwingkreis aufbaut, auch in den zweiten Schwingkreis Energie übertragen. Nun hat sich der Kondensator im Primärkreis komplett entleert, die Spannung an der Funkenstrecke sinkt, die Luft verliert ihre Leitfähigkeit und somit ist der Primärschwingkreis wieder geöffnet. Die Energie des Magnetfeldes wird nun vollkommen von dem zweiten Schwingkreis aufgenommen, da er die selbe Resonanzfrequenz wie der erste Schwingkreis besitzt. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals in der Sekunde, bis die Spannung im zweiten Schwingkreis so groß ist, dass sie sich über die Metallkugel entlädt. [23] Drahtlose Energieübertragung Seite 13 3 Nikola Tesla Der erste Wissenschaftler, der sich intensiv mit der Frage der drahtlosen Energieübertragung beschäftigt hat, war Nikola Tesla. 3.1 Allgemein Nikola Tesla wurde am 10. Juli 1856 im heutigen Kroatien geboren. Nach dem Besuch der Volks- und Realschule studierte er an der Technischen Universität von Graz und Prag die Fächer Mathematik, Physik und Mechanik. Anschließend nahm er unter anderem einen Job bei Thomas Edison an, durch dessen Hilfe er auch nach New York gelangte. Nach kurzer Zeit machte er sich jedoch selbstständig, da Edison ein Anhänger des Gleichstroms und er selbst ein Anhänger des Wechselstroms war und somit Disparitäten unausweichlich waren. Und so gründete er im März 1885 die ”Tesla Electric Light Company”. Im selben Jahr meldete er auch sein erstes Patent an, es handelte sich um ein Patent für Bogenlampen. Nachdem er mit seiner ersten Firma keine Erfolge mehr hatte, gründete er nach kurzer Zeit die ”Tesla Electric Company”. Im Jahr 1890 begann er seine Experimente mit Hochfrequenzströmen. 1895 erfand er die Teslaspule, auch Tesla-Transformator genannt, mit welcher er später Spannungen mit bis zu 20 Millionen Volt erzeugen konnte. Mit Hilfe dieser hohen Spannungen gelang es ihm, einen künstlichen Blitz von fast 15 m Länge zu erzeugen. Im selben Jahr baute er auch seine ersten drahtlosen Anlagen. Im Juli 1897 fand die erste drahtlose Übertragung von Nachrichten über 40 km zwischen Teslas Labor und einem Schiff auf dem Hudson River statt. Im Jahr 1899 entwickelte er kleine Modellanlagen zur drahtlosen Übertragung von Energie. Nachdem er einige Disparitäten mit seinen Geldgebern hatte, lies er diesen Bereich der Physik fallen und begab sich in andere Bereiche. Am 7. Januar 1943 starb Tesla in New York im Alter von 86 Jahren. [24] 3.2 System of Transmission of Electrical Energy - US Patent Nr. 645.576 Tesla fand in einem Experiment, welches auf den 23. Januar 1898 datiert ist, heraus, dass Luft bei geringem Luftdruck und hohen Spannungen leitfähig wird 2 [6] . Die bei diesem Experiment verwendete Apparatur [5] entwickelte er unter dem Aspekt der drahtlosen Energieübertragung weiter und veröffentlichte sie schließlich in seinem Patent Nr. 645.576. 2 Die Luft ionisiert. Drahtlose Energieübertragung Seite 14 Abbildung 8: Apparatus for transmission of electrical energy [4] Wie auf der Skizze von Tesla zu erkennen ist, verwendete Tesla zwei von einander getrennte Stromkreise, wobei links der Sender und rechts der Empfänger zu sehen ist. Im Stromkreis des Senders verwendete Tesla einen Generator G, an welchen eine Spule C mit geringer Windungszahl angeschlossen ist. In diese Spule ist wiederum eine Flachspule A mit hoher Windungszahl eingelassen, die auf der einen Seite geerdet ist und auf der anderen Seite mit einer Kugelelektrode D, welche als Antenne dient, verbunden ist. Es lässt sich vermuten, dass Tesla mit dieser Skizze den von ihm einige Jahre zuvor entwickelten Tesla-Transformator meinte. Somit erzeugt diese Apparatur einen Strom mit sehr hoher Drahtlose Energieübertragung Seite 15 Spannung aber geringer Stromstärke. Der Empfänger ist grundsätzlich gleich aufgebaut, nur das anstatt des Generators die Verbraucher L und M verbaut wurden. In diesem Patent setzte er seine errungenen Erkenntnisse über die Leitfähigkeit der Luft um und schlug vor, die zwei in seinem Patent eingezeichneten Kugelelektroden D und D0 mittels Ballonen in eine Höhe von 6,5 km steigen zu lassen, da in höheren Luftschichten ein geringerer Luftdruck herrscht und somit die Leitfähigkeit der Luft erhöht ist, sodass der Strom leichter zwischen den beiden Kugelelektroden fließen kann. Wenn man nun einen Wechselstrom an den Sender anlegt, erzeugt dieser eine sehr hohe Spannung. Tesla glaubte nun, dass der Blitz des Senders groß genug sei, um bis zur Kugelelektrode des Empfängers zu reichen, um somit die Energie zu übertragen. 3 Da der Empfänger baugleich mit dem Sender ist, mit dem Unterschied, dass anstelle des Generators ein Verbraucher in dem Stromkreis eingebaut wurde, wird die empfangene Energie von der Spule mit der hohen Windungszahl in die mit der geringeren Windungszahl induziert. Somit hat man wieder einen Strom mit einer geringen Spannung aber einer hohen Stromstärke, so, wie ihn der Generator am Sender erzeugt hat. Strom wurde somit drahtlos übertragen. 3.3 US Patent Nr.787,412 und 1,119,732 Da die Erteilung des Patentes Nr. 645.576 an dessen experimentelle Durchführbarkeit gebunden war, siedelte Tesla am 11. Januar 1899 nach Colorado Springs auf die ca. 2000 Meter über dem Meer gelegene Hochebene über, um eben dieses zu beweisen. Als es ihm gelungen war, wurde ihm das am 02. September 1897 angemeldete Patent am 20. März 1900 erteilt. Angeregt durch seine Erfolge machte er weitere Experimente und kam zu dem Schluss, dass die Energie bei seinen vorherigen Experimenten und Patenten eigentlich durch die Erde übertragen wurde und das seine vorherigen Patente somit falsch seien und verbessert werden müssten. Dieses veröffentlichte er im Mai 1900 in seinem Patent ”787,412 - Art of Transmitting Electrical Energy Through the Natural Mediums”. Seine Bemühungen gipfelten in einem Projekt zur Energieübertragung von 10MW einmal um die Welt mit Hilfe eines 57m hohen Turms, des Wardenclyffe-Towers in Long Island. [2] Dessen Funktionsweise veröffentlichte er später in seinem Patent 1,119,732 - Apparatus for Transmitting Electrical Energy. 3 In Wirklichkeit bilden die beiden Kugelelektroden einen Luft-Kondensator, der die beiden Schwingkreise von Sender und Empfänger elektrisch koppelt. Somit sind sie in der Lage, Energie zu übertragen. [3] Drahtlose Energieübertragung Seite 16 Abbildung 9: Apparatus for Transmitting Electrical Energy In diesem Patent dient laut Tesla lediglich die Erde als Leiter der Energie. Tesla selbst bezeichnet die Erde als einen perfekten elektrischen Leiter mit unmerklichem Widerstand, Kapazität und Selbstinduktion. Die Erde kann laut Tesla durch elektromagnetische Wellen angeregt, diese ohne Verluste oder Verformung übertragen. [8] Laut Tesla wurde die Erde durch seine Anlage zum Schwingen angeregt. Befindet sich an einer anderen Stelle der Erde ein Schwingkreis, welcher die dieselbe Resonanzfrequenz aufweist, ist dieser in der Lage, die Schwingungen aufzufangen. Auf diese Weise behauptet Tesla, 10MW auf eine Entfernung von 42 km übertragen zu haben. [5] [9] Allerdings verschlang diese Apparatur von Tesla Unmengen an Geld und so strichen seine Geldgeber ihm nach einiger Zeit die finanziellen Mittel, da sie ihn eigentlich gesponsert hatten, damit er Anlagen zur drahtlosen Signalübertragung und nicht etwa zur drahtlosen Energieübertragung entwickelt. So endeten Teslas Bemühungen im Bereich der drahtlosen Energieübertragung. Drahtlose Energieübertragung Seite 17 1917 wurde auch der von Tesla gebaute Wardencliffe Tower wieder abgerissen, da man glaubte, dass er eine Navigationshilfe für die deutschen U-Boote sein könnte. Seit dem hat nie wieder jemand eine Apparatur in dieser Größenordnung nachgebaut. [10] 3.4 Fazit Man sollte die Übertragung von Energie durch die Erde nach Tesla in Frage stellen. Tesla hat Elektronen an einer Stelle in die Erde ”gepumpt” und anschließend an einer anderen Stelle einen Energieüberfluss gemessen. Dieses entspricht zwar genau der Funktionsweise eines elektrischen Leiters, allerdings kann man nicht vorhersagen, geschweige denn kontrollieren, an welcher Stelle der Erde und nach welchem Zeitraum die Energie aus der Erde wieder hervortritt. Außerdem liegt bis heute kein Beweis vor, dass diese Weise der Übertragung von Energie überhaupt funktioniert, da keine Durchführbarkeit für die Erteilung des Patentes verlangt wurde, der Turm nicht mehr existiert, also das Experiment nicht mehr nachgestellt werden kann und einige von Teslas Messungen in Bezug auf dieses Patent nicht stimmen. [8] Das die Übertragung von Energie mittels hoher Spannungen, welche einen Blitz erzeugen, aufgrund der Gefährdung von Mensch und Tier nicht alltagstauglich ist, müsste jedem einleuchten. Somit sind die beiden hier vorgestellten Apparaturen zur drahtlosen Übertragung größerer Mengen Energie von Tesla im Alltag nicht umsetzbar. Drahtlose Energieübertragung Seite 18 4 Zahnbürste Wer sich heutzutage eine elektrische Zahnbürste kauft, der wird vergeblich nach elektrischen Kontakten für den Ladevorgang eines Akkus an Zahnbürste und Ladestadion suchen, da diese im Badezimmer am Waschbecken aufgrund des Wassers viel zu gefährlich wären. Die Hersteller dieser Zahnbürsten haben sich nämlich den Aufbau eines Transformators näher angeguckt und dessen Funktionsweise für den Ladevorgang ihres Produktes genutzt. Der Unterschied zwischen einem Transformator und der Zahnbürste ist nur, dass der Ferrit-Kern des Transformators zwischen den beiden Spulen ”zersägt” wurde. Der primäre Kreislauf befindet sich in der Ladestation, der sekundäre in der Zahnbürste. Das magnetische Feld ist nun stark genug, die Energie fast verlustfrei durch die Plastikhüllen hindurch in die zweite Spule zu induzieren. Es ist heutzutage also bereits möglich, größere Mengen Energie über geringe Distanzen drahtlos zu transportieren. [11] 5 Passive RFID-Transponder Im Zeitalter der Globalisierung wird die Logistik immer komplizierter. Die Menge der zu transportierenden Gegenstände wird immer größer. Genau so wie die Menge der dazugehörigen Informationen. Diese passen in manchen Branchen schon längst nicht mehr auf einen Bar-Code, zudem ist es viel zu kompliziert und zeitaufwändig, den zu bearbeitenden Gegenstand jedes Mal so zu positionieren, dass das Bar-Code-Lesegerät dessen Inhalt scannen kann. Deswegen gibt es die RFID-Transponder. Diese arbeiten nach dem Prinzip des ”Radio Frequency Identification”, kurz RFID, was so viel bedeutet wie ”Identifizierung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen”. Diese haben einen eingebauten Chip, welcher die Informationen speichert. Nun braucht der Scanner diese einfach nur noch über Funk auszulesen. Aber wie funktioniert das? Jeden Transponder mit einer Batterie auszustatten wäre viel zu teuer, da sie in den meisten Fällen sowieso nur ein Mal verwendet werden. Außerdem würden die Transponder viel zu groß. Deswegen erzeugt das stationäre Lesegerät ein elektromagnetisch, hochfrequentes Wechselfeld. Als Antenne dient dem Empfänger eine Spule. In dieser Spule wird nun eine Spannung über das Magnetfeld des Lesegerätes induziert, welche in einem Kondensator zwischengespeichert wird. Da diese Energie dem Magnetfeld des Senders fehlt, erkennt er den Transponder. Auf diese Weise werden auch noch weitere Informationen übermittelt, da der Chip die Energieaufnahme des Kondensators steuern kann. Der Vorteil von dieser Technik ist, dass der Empfänger so groß wie ein Reiskorn gebaut Drahtlose Energieübertragung Seite 19 werden kann. Nicht zu vernachlässigen sind außerdem die geringen Produktionskosten von wenigen Cent pro Empfänger. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es heute mit Hilfe der Induktion bereits möglich ist, geringe Mengen Energie über relativ große Distanzen von bis zu 3 m drahtlos zu übertragen. [12] [13] Drahtlose Energieübertragung Seite 20 6 WiTricity Auch das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hat sich mit der Erforschung von drahtloser Stromübertragung beschäftigt. Das Projekt WiTricity, Kurzform von Wireless Electricity, nahm seinen Anfang, als der Leitende Professor Marin Soljacic vor einigen Jahren zum wiederholten Male nachts von seinem Handy geweckt wurde, weil er vergessen hatte, dieses aufzuladen, nun der Akku leer war und das Handy einen Signalton abgab. Als Reaktion darauf dachte sich Soljacic, dass es doch möglich sein müsste, eine drahtlose Ladestation für Handys zu erfinden, die den Handyakku automatisch auflädt, wenn man es nachts in dessen Nähe legt. Somit stand das Ziel fest, es musste eine Möglichkeit gefunden werden, einen kompletten Raum drahtlos mit Energie zu versorgen. Im ersten Schritt überlegte sich das Team um Soljacic, in welchen Bereichen es bereits heute drahtlose Energieübertragung gibt. Als erstes fiel ihnen der Transformator ein. Er kann mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion die Spannung und Stromstärke von Wechselstrom ändern. Dieses geschieht, wenn auch nur über eine geringe Distanz, drahtlos. (Für Genaueres siehe → T ransf ormator) Als nächstes fiel ihnen die elektromagnetische Welle bzw. das Licht in Form eines Laserstahls ein. Aber Energie aus Licht zu gewinnen, wie es zum Beispiel in Solarzellen der Fall ist, gestaltet sich ziemlich kompliziert. Zudem benötigt man einen direkten Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger. Um dieses zu gewährleisten, bräuchte man ein aufwändiges Steuerungssystem. Also fiel diese Form der Energieübertragung für das Ziel von Soljacic, einen ganzen Raum drahtlos mit Energie zu versorgen, weg. Die Übertragung von größeren Mengen Energie über elektromagnetische Wellen, in Form von Radiowellen oder Mikrowellen, wie es zur Übertragung von Informationen der Fall ist, gestaltet sich als sehr ineffizient und gefährlich für die Energieübertragung unter dem Gesichtspunkt der Energieversorgung eines kompletten Zimmers, da die Wellen entweder in alle Richtungen gesendet werden müssten, welches dazu führen würde, dass sehr viel Energie von der Umwelt absorbiert würde und somit verloren ginge oder in Form von Richtfunk auf den Empfänger gerichtet werden müsste, was zu den selben Problemen wie bei der Übertragung von Energie über das Licht führen würde. Also blieb ihnen nur die Übertragung über die elektromagnetische Induktion. Soljacic überlegte sich, dass ein Sender ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen sollte. Die Energie würde nur von Gegenständen aufgenommen, die speziell auf dessen Frequenz eingestellt würden. Die nicht verbrauchte Energie könnte wieder vom Sender absorbiert werden. [14] Dieses Verfahren ähnelt zwar schon sehr dem des Passive RFID, allerdings verwenden Soljacic und sein Team nicht nur ein Magnetfeld zur Übertragung der Energie, sondern zusätzlich die elektromagnetische Kopplung von zwei Schwingkreisen. Drahtlose Energieübertragung Seite 21 6.1 Versuchsaufbau Nach einigen Jahren der Entwicklung und Simulation kamen die Forscher des MIT zu folgendem Versuchsaufbau: '$ 89 %( %$ %& ! *+,-./0 '( %) *$ !"#$ "#$%&'()# 1234516)#7#0 "#$%&'()# Abbildung 10: Schaltplan In dem ersten Stromkreis befindet sich ein Funktionsgenerator, der einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 10 MHz erzeugt, und eine Spule mit einer Windung. Diese erzeugt nun ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Da die Spule des zweiten Stomkreises nur minimal von der Spule des ersten Stomkreises entfernt steht, bilden diese einen LuftTransformator. Somit wird die Energie in den zweiten Stromkreis induziert. Das gleiche Prinzip findet zwischen dem dritten und vierten Kreislauf statt. Der zweite und dritte Kreislauf sind Schwingkreise mit der gleichen Resonanzfrequenz. Über das Phänomen der elektromagnetischen Kopplung tauschen diese Energie aus. Strom wird übertragen. Die Frequenz von 10 MHz für das Wechselfeld kann folgendermaßen erklärt werden: Wenn wir uns noch einmal in Erinnerung rufen, wie die Energie übertragen wird, nämlich über ein Magnetfeld, bzw. die Induktion und wir uns die entsprechenden Formeln für eine Spule genauer ansehen, ergeben sich folgende Proportionalitäten: U ∼ Ḃ U ∼ Ȧ U ∼v Da im Empfänger ein gleichmäßiger Stromfluss ankommen soll, müssen wir die Gewinnung der Energie aus dem Magnetfeld durch die Bewegung des Empfängers bzw. Senders, somit v bzw. die Änderung von A, ausschließen. Übrig bleibt somit nur eine zeitlichen Änderung Drahtlose Energieübertragung Seite 22 des Magnetfeldes, Ḃ. Dieses entspricht der Frequenz, in der das Magnetfeld des Senders oszilliert. Es gilt also: je größer die Frequenz ist, desto mehr Energie kann übertragen werden. Dieses liegt in unserm Fall daran, dass in einer bestimmten Zeitspanne bei einer höheren Frequenz mehr Schwingungen des Schwingkreises erfolgen können und somit mehr Energie übertragen werden kann. Wenn man sich nur an diese Bedingung hält, müsste man den Versuch mit einer möglichst hohen Frequenz, zum Beispiel im GHz-Bereich durchführen, Allerdings kann ein Magnetfeld nur im nahen Feld Energie effizient übertragen. Nahes Feld bedeutet, dass der Abstand d zwischen der Senderspule und der Empfängerspule d ≤ λ sein muss. λ= c f (31) Wenn wir in diese Gleichung nun die Daten des Teams vom MIT einsetzen, 3 ∗ 108 ms λ = 107 1s λ = 30m (32) (33) ergibt sich λ = 30m. Somit hat das nahe Feld einen Radius von 30m. Wenn wir uns die Gleichung genauer ansehen, erkennt man, dass mit zunehmender Frequenz die Wellenlänge λ abnimmt und somit der Radius des nahen Feldes, indem effizient Energie übertragen werden kann. Somit scheint eine Frequenz von 10 MHz beide Bedingungen möglichst gut zu erfüllen. Einerseits ist die Frequenz groß genug, um möglichst viel Energie zu übertragen, andererseits das nahe Feld groß genug, um das Ziel zu erreichen, ein komplettes Zimmer mit drahtloser Energie zu versorgen. Drahtlose Energieübertragung Seite 23 Abbildung 11: Witricity Doch warum braucht man vier Stromkreise? Warum verwendet man nicht einfach zwei Schwingkreise, wobei in dem ersten Schwingkreis, dem Sender, eine Wechselstromquelle mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und in dem Empfängerschwingkreis direkt der Verbraucher angeschlossen wird? Wenn man eine Wechselstromquelle direkt in Reihe mit dem Kondensator und der Spule schalten würde, könnte der Schwingkreis keine eigene Schwingung entwickeln, da er sich von der Stromquelle ”loslösen”muss, um den regelmäßigen Wechsel der Energie zwischen dem Kondensator und der Spule anzuregen. Der Kondensator könnte in diesem Fall zwar seine gespeicherte Energie an die Spule abgeben, die Spule jedoch nicht an den Kondensator, da die Energie in die Stromquelle zurückfließt. Wenn man eine Stromquelle mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreis parallel zu diesem schalten würde, würde dieser zu einem Sperrkreis. Das bedeutet, die Elektronen würden einmal in den Schwingkreis gelangen und nie wieder herauskommen, da der Schwingkreis in sich eine Impedanz von 0 Ω hat, welche geringer ist als der Widerstand des restlichen Stromkreises. Dieses führt dazu, dass die Elektronen in diesem verbleiben und der Schwingkreis als Ersatzwiderstand einen unendlich hohen Widerstand hat. Es würde also bei dieser Schaltung kein Strom fließen, was dazu führt, dass keine Schwingung entstehen kann. Drahtlose Energieübertragung Seite 24 Wenn man eine Stromquelle mit sehr viel geringerer Frequenz als die Resonanzfrequenz des Schwingkreies parallel zu diesem schalten würde, wie es bei einem Tesla-Transformator der Fall ist, so würde zwar eine Schwingung des Schwingkreises entstehen, diese würde aber immer wieder nach einer bestimmten Zeit erlischen. Sie würde erst wieder bei einem Maximum der Spannung des Wechselstroms der Stromquelle entstehen. Die übertragene Energie wäre aber sehr viel geringer, als wenn der Schwingkreis ständig mit seiner Resonanzfrequenz schwingen könnte. Wenn man eine Stromquelle mit sehr viel höherer Frequenz als die Resonanzfrequenz des Schwingkreies parallel zu diesem schalten würde, könnte der Kondensator sich nicht richtig aufladen, was dazu führen würde, dass auch auf diese Weise keine optimale Schwingung entsteht. Damit also möglichst viel Energie in einem bestimmten Zeitraum übertragen werden kann, muss die Amplitude der Schwingung des Schwingkreises erhalten werden. Um dieses zu erreichen, bietet sich eine induktive Kopplung zwischen einer Schaltung aus einer Wechselstromquelle mit der Resonanzfrequenz und einer Spule und dem Schwingkreis an. Nun kann der Senderschwingkreis sich immer so viel Energie von dem Magnetfeld es ersten Stomkreises holen, wie er braucht, um seine Amplitude seiner Schwingung aufrecht zu erhalten. Entsprechendes gilt auch für den Empfängerschwingkreis. Drahtlose Energieübertragung Seite 25 6.2 Versuchdaten/Auswertung Beschreibung Wert Abstand der Schwingkreise 2m Radius der Spule 30cm Frequenz 10MHz Nahe Feld des Magnetfeldes 30m Erzeugte Energie der Sendespule 400 Watt Empfangene Energie der Empfängerspule 60 Watt Effizienz praktisch 15% Effizienz theoretisch 40% Entfernung vom Sender in m Elektrisches Feld in 0,2 1 V m Magnetisches Feld in 1400 210 8 1 Effizienz in % Theoretisch Praktisch 100 75 50 25 0 2,5 5 7,5 10 Entfernung der Spulen Abbildung 12: Graph: Entfernung der Spulen → Effizienz A m Drahtlose Energieübertragung Seite 26 Nachdem die ersten praktischen Versuche mit zufriedenstellenden Ergebnissen durchgeführt wurden, will das Team von WiTricity in den nächsten Jahren versuchen, alle verwendeten Elemente kleiner zu bauen und die theoretische Effektivität von 40% zu erreichen. Auch die Firma Intel war von den Ergebnissen dieses Versuches begeistert und übernahm deswegen dieses Konzept und beteiligte sich ferner bei den Forschungen des MIT. Drahtlose Energieübertragung Seite 27 7 Space Based Solar Power Die Zukunft der Energiegewinnung liegt in den erneuerbaren Energien. Hierzu zählt auch die Sonnenenergie. Um diese für die Stromerzeugung nutzbar zu machen, verwendet man Solarzellen. Ein Nachteil dieser Energiegewinnung ist, dass sie vom Ort abhängig ist. Das bedeutet, dass zum Beispiel in Mitteleuropa eine Energie von 1.000 kWh pro m2 pro Jahr von der Sonne auf der Erde ankommen, während in der Sahara 2.350 kWh pro m2 pro Jahr ankommen. Des weiteren ist die Energiegewinnung aus den Sonnenstrahlen von der Jahreszeit abhängig, da im Winter weniger Energie der Sonne auf der Erde ankommt, als im Sommer. Zudem ist die Intensität der Sonnenstrahlen von der Uhrzeit abhängig. Nachts kommt so gut wie gar keine Energie auf der Erde an. Am Morgen und am Abend nur sehr wenig, während Mittags viel Energie ankommt. Außerdem ist diese Art der Energiegewinnung vom Wetter abhängig. Des weiteren ist die Energiegewinnung durch Solarzellen vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen abhängig. J = J0 · sin(β) (34) J Strahlungsleistung der Sonnenstrahlen J0 Strahlungsleistung bei einem Einfallswinkel von 90◦ β Einfallswinkel gegenüber dem Horizont Je größer β ist, desto weniger Photonen treffen auf die Solarzelle. Nicht zu vernachlässigen ist die Schutzschildwirkung der Atmosphäre. 50% der Sonnenenergie werden durch die Atmosphäre absorbiert oder reflektiert. [18] Wenn man sich nun alle diese Nachteile betrachtet, kommt man schnell zu dem Ergebnis, dass ein Satellit im Weltall über der Atmosphäre viel bessere Eigenschaften für die Gewinnung von elektrischer Energie aus der Energie der Sonne hat. Er wäre über den Wolken, somit wetterunabhängig, er wäre über der Atmosphäre, die Sonne würde ihn die ganze Zeit mit Energie versorgen und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Sonnenkollektoren bzw. der Einfallswinkel der gesendeten Energie auf die Erde könnte immer optimal eingestellt werden. Insgesamt, die Übertragung der Energie zur Erde bereits eingerechnet, wäre diese Möglichkeit der Energiegewinnung über der Atmosphäre zehn mal effizienter als mit Solarzellen auf der Erde. Dieses dachte sich auch der Ingeneur Peter Glaser im Jahre 1968 und veröffentlichte dies im US-Patent 3,781,647. Um die Energie von einem Satelliten zur Erde zu bekommen, Drahtlose Energieübertragung Seite 28 wollte er diese mittels elektromagnetischer Wellen verschicken. Auf der Erde sollten diese dann wieder zu elektrischer Energie umgewandelt werden. Da man dieses damals aus technischen Gründen bzw. aus Kostengründen noch nicht umsetzen konnte, geriet diese Idee wieder in Vergessenheit. Abbildung 13: SBSP Am 10. Oktober 2007 empfahl nun das National Security Space Office (NSSO) des Pentagons der US-Regierung in einem Bericht, aufgrund der ständig steigenden Energiepreise für die Erforschung dieser Form der Energiegewinnung 10 Milliarden Dollar zu investieren. In diesem Bericht schlägt die NSSO vor, ein ”Test-Weltraumkraftwerk” in einer geplanten Umlaufhöhe von 1100 km zu errichten, welches eine Leistung von 10 MW zur Erde schicken können soll. In diesem sollen Spiegel die Sonnenstrahlen bündeln, welche wiederum von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden, um anschließend mittels Mikrowellen zur Erde ”gebeamt” zu werden. Hier sollen diese Wellen dann wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden. Da der Satellit ständig um die Erde kreisen wird, soll in ihm auch ein Speicher für die gewonnene Energie eingebaut werden, damit diese, wenn sich der Satellit über der Empfangsbasis befindet, dieser zugesandt werden kann. Die Empfangsbasis, Rectena genannt, soll einen Druchmesser von 10 km haben. Natürlich haben die Autoren dieses Berichtes auch eine militärische Nutzung im Sinn. Mit Hilfe dieses Satelliten sollen die Truppen der US-Regierung ihre Abhängigkeit von lokalen Energieversorgern bei Auslandseinsätzen verlieren. Das Hauptproblem zur Zeit ist jedoch, dass ein solches Kraftwerk ein Gewicht von 3000 Tonnen aufbringen würde. Dieses entsprecht dem Zehnfachen der ISS. Man bräuchte unzählige Raketenstarts, um es zu installieren. Drahtlose Energieübertragung Seite 29 Auch die Japaner entwickeln im Moment ein ähnliches Projekt. Sie planen jedoch, die Energie mittels Laser zu versenden. [19] 7.1 Energieübertragung via Mikrowellen Max Planck fand im Jahr 1900 heraus, dass die Energie einer elektromagnetischen Welle proportional zu dessen Frequenz ist und stellte folgende Formel auf: EP hoton = h · f (35) EP hoton : Energie eines Photons h : Planck’sche Wirkungsquantum f : Frequenz. Hieraus folgt, je größer die Frequenz ist, desto mehr Energie kann übertragen werden. Nur diesen Aspekt betrachtet, müsste die Übertragungfrequenz so hoch wie möglich sein. Allerdings können chemische Elemente elektromagnetische Wellen mit einer ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren. Die höchste Frequenz, die einigermaßen effizient durch unsere Atmosphäre gelangt, liegt bei 2,45 GHz. Aus diesem Grund soll die Energie des Satelliten mittels elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz von 2.45 GHz transportiert werden. Zur Erzeugung dieser hochfrequenten elektromagnetischen Wellen wird ein Hertzdipol verwendet. Ein Hertz’scher Dipol ist nichts anderes als ein sehr kleiner Schwingkreis. Zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mittels eines Schwingkreises muss die Kapazität und die Induktivität sehr klein sein. Dieses führt beim Herz-Dipol dazu, dass die Spule aus nur einer Windung besteht, die zu einem geraden Leiter verbogen wurde. Den Kondensator bilden nun die beiden Enden der ”Spule”. Nach der Erzeugung der Wellen werden diese zum Beispiel mit Hilfe eines Parabolspiegels gebündelt. Für das Empfangen der Wellen und das Umwandeln zurück in el. Energie soll das gleiche Verfahren verwendet werden. Der Hertz’sche Dipol kann elektromagnetische Wellen nämlich auch wieder empfangen und wieder zurück in elektrische Energie umwandeln. Diese Form der Energieübertragung soll bei dem Test-Satelliten eine Effizienz von ca. 60% haben. Diese Form der Übertragung von Energie wurde von der NASA bereits im Jahre 1975 getestet. Bei diesem Test ist es der NASA gelungen, mittels einer 62m großen Sendeanlage 43000W drahtlos über eine Entfernung von 1.5 km mit einer Effizienz von 82 % zu verschicken. [25] Drahtlose Energieübertragung Seite 30 Anfang 2008 hat eine Firma aus den USA, Managed Energy Technologies (MET), ein geheimes Projekt zur drahtlosen Stromübertragung durchgeführt. Sie haben mit Solarzellen auf dem Schildvulkan Haleakala auf Maui Sonnenenergie in Höhe von 20 Watt gewonnen. Diese wurde nun mit Hilfe von Hochfrequenz-Mikrowellen zur 148 Kilometern entfernten Insel Hawaii ”gebeamt”. Bei diesem Experiment wurde nur wenig Energie erfolgreich übertragen, dieses liege allerdings mehr am geringen Budget als an der Technik, so der Leiter des Projektes. [15] 7.2 Energieübertragung via Laser Als weitere Übertragungmöglichkeit kann Laserlicht dienen. Ein Laser verstärkt durch stimulierte Emission ein Licht bzw. eine elektromagnetische Welle. Dieses lässt sich folgendermaßen erklären: Wenn Licht einer bestimmten Farbe auf ein Atom trifft, befördert es dessen Valenzelektronen in ein höheres Energieniveau. Das Atom wird nun als stimuliert bezeichnet. Nach einiger Zeit, wenn die Elektronen wieder auf ihr vorheriges Energieniveau zurückfallen, wird ein Licht mit der selben Frequenz erzeugt, wie das Licht hatte, dass den vorherigen Energieniveauwechsel erst möglich machte. Wenn aber nun Licht auf ein bereits stimuliertes Atom trifft, wird eben dieses Licht verstärkt bzw. die Amplitude der Welle erhöht. [20] (Für Näheres siehe Facharbeit Florian Lotze) Empfangen werden soll die Energie mittels einer Photovoltaik-Solarzelle. Diese Funktioniert folgendermaßen: In ihr wurden zwei Halbleiterplatten verbaut. Die obere Schicht, n-Schicht genannt, enthält ein paar Atome eines anderen Stoffes, welche ein Valenzelektron mehr besitzt, als das Material der n-Schicht. In die zweite Schicht, p-Schicht genannt, wurden entsprechend viele Atome mit weniger Valenzelektronen eingebaut. Wenn diese beiden Schichten nun aufeinander treffen, tauschen diese ihre überflüssigen Elektronen bzw. Elektronenlöcher aus. Wenn nun Licht auf diese Verbindung trifft, wird ein Elektronen-Loch Paar am PN-Übergang generiert, welches durch die Diffusionsspannung am PN-Übergang getrennt wird. Bei diesem Vorgang entsteht eine Spannung. (Für Näheres siehe Facharbeit Simon Papenheim) [16] Der Wirkungsgrad dieser Energieübertragungsart soll bereits 42 % betragen, wie Experimente im September 2007 zeigten. Vergleichend lässt sich sagen, dass die Energieübertragung über elektromagnetische Wellen sehr effektiv ist, aber eine sehr große Sendeeinrichtung hierfür verwendet werden müsste, was im Moment noch das größte Problem darstellt. Die Übertragungstechnik über Laserstrahlen ist zwar weniger effizient, jedoch ist die Sendeeinrichtung um ein vielfaches kleiner. Drahtlose Energieübertragung Seite 31 8 Gefährdung für den Menschen Hinsichtlich Teslas Apparaturen ist eine Gefährdung für Mensch und Tier nicht auszuschließen, da er die Energie mittels sehr hoher Ströme unkontrolliert durch die Luft und durch die Erde verschickt hat. Dieses belegen auch Zeugenaussagen zu Teslas Experimenten in Colorado Springs, wonach einige Pferde verrückt spielten, da sie die gleiche Eigenfrequenz wie der Empfänger hatten. [6] Dieses Problem könnte auch bei der Übertragungmethode des MIT bzw. Intel eintreten. Auch in Bezug auf die zielgerichtete Übertragung der Energie mittels elektromagnetischer Wellen ist eine Gefährdung nicht auszuschließen. Bisher gab es bereits einige Studien zu den Auswirkungen des Elektro-Smogs auf den Menschen, die bisher immer zu dem Ergebnis kamen, dass diese ungefährlich seinen. Diese bezogen sich jedoch nur auf die elektromagnetischen Wellen, die Informationen übertragen. Bei den Wellen zur Energieübertragung handelt es sich jedoch um viel höhere Leistungen, wie sie zum Beispiel in einem Mikrowellenherd vorherrschen. Zudem könnte das Problem der Störung des Funkverkehrs, des Radio- und des Fernsehsignals in der Zone der Empfangsbasis des Solar Power Satellit auftreten. Aus diesem Grund müssten Flugverbotszonen und Bereiche eingerichtet werden, in denen das betreten verboten ist. Drahtlose Energieübertragung Seite 32 9 Zusammenfassung Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es heute bereits mehrere gute Ansätze gibt, Energie drahtlos zu übertragen, ausgereift ist allerdings noch kein Verfahren und jeder Ansatz hat auch seine Nachteile. Die kreisförmige Energieübertragung mit Hilfe der Induktion von geringen Mengen Energie über relativ große Distanzen oder die Übertragung von relativ großen Mengen Energie über kurze Distanzen ist bereits möglich. In einigen Jahren wird es auch möglich sein, mit Hilfe der magnetischen Kopplung von Schwingkreisen auch größere Mengen Strom über größere Distanzen zu verschicken. Eine zielgerichtete Übertragung der Energie ist schon heute möglich, allerdings ist eine Gefährdung für den Menschen hierbei nicht auszuschließen. Drahtlose Energieübertragung Seite 33 10 Literaturverzeichnis [1] Dorn Bader, Physik Sek 2 Gymnasium Gesamtband, Schroedel Verlag, ISBN 3507-10724-4, S. 280 [2] Süddeutsche Zeitung Nr. 276 vom 27.11.2008, S. 16 [3] Günter Wahl/Burkhard Kainka, Lernpaket Tesla-Energie Handbuch, Franzis Verlag, Poing, ISBN 978-3-7723-5226-3, S. 22 [4] Experimente mit drahtloser Energieübertragung nach Tesla, 2004 Franzis Verlag GmbH, ISBN 3-7723-5505-6 [5] http://www.teslasociety.ch/TES DOKU/Teslas Transmitter - Bericht von Andre Waser CH-Einsiedeln.doc.pdf [6] http://www.xy44.de/skalar/tesla.htm [7] http://www.tomshardware.com/de/drahtlose-EnergieubertragungNanotubes,news-241527.html [8] http://home.arcor.de/GDN2/Seiten/Publikationen/tesla energie uebertragung.pdf [9] http://www.oevr.at/news/2007-08-14-teslaexp.html [10] http://flos-homepage.de/index.php?pro=teslaerfindungen [11] http://www.zdnet.de/mobile/wireless/0,39023428,39195344-2,00.htm [12] http://de.wikipedia.org/wiki/Radio Frequency Identification [13] http://www.rfid-ready.de/technische-rfid-standards.html [14] http://www.mit.edu/ soljacic/AIP press.pdf [15] http://derstandard.at/?url=/?id=122045857542 [16] http://www.buch-der-synergie.de/c neu html/c 04 19 sonne pv weitere einsatzformen.htm [17] http://www.mehr-davon.de/content/protokolle/protokoll18.pdf [18] http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/Schulphysik/Waermel/W7 WaermeUebertr Inpu [19] http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,511203,00.html [20] http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/lasers/lasers2.html Drahtlose Energieübertragung [21] http://de.wikipedia.org/wiki/Transformator [22] http://www.mit.edu/ soljacic/MIT WiTricity Press Release.pdf [23] http://de.wikipedia.org/wiki/Tesla-Transformator [24] http://www.ebe-online.de/home/tgobmaie/tesla/lebdat.htm [25] http://nss.org/settlement/ssp/NASADVD/part04.htm Seite 34 Drahtlose Energieübertragung Seite 35 11 Abbildungsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Versuchsaufbau Intel . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Transformator . . . . . . . . . . Schaltplan Schwingkreis . . . . . . . . . . . . Phasenverschiebung Schwingkreis . . . . . . . Sinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tesla-Transformator . . . . . . . . . . . . . . Schaltbild Tesla-Transformator - Wikipedia . . Apparatus for transmission of electrical energy Apparatus for Transmitting Electrical Energy Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Witricity, Quelle: MIT . . . . . . . . . . . . . Graph: Entfernung der Spulen → Effizienz . . SBSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 7 7 8 11 11 14 16 21 23 25 28 Drahtlose Energieübertragung Seite 36 12 Anmerkungen zu Abbildungen und Literatur Diese Arbeit basiert zum Teil auf Quellen aus dem Internet. Da alle Quellen zusammen in gedruckter Form einen Rahmen von 100 DIN A4 Seiten sprengen würden, verzichte ich darauf, diese dem Anhang beizufügen. Die besagten Internetseiten liegen jedoch in gespeicherter Form bei mir vor und können auf Nachfrage eingesehen werde. Entsprechendes gilt für die verwendeten Bücher. Drahtlose Energieübertragung Seite 37 13 Versicherung der selbständigen Abfassung der Arbeit Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende schriftliche Facharbeit selbständig verfasst und keine anderen als die von mir angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen sind, wurden in jedem Fall unter Angabe der Quellen (einschließlich des World Wide Web und anderer elektronischer Text- und Datensammlungen) kenntlich gemacht. Dies gilt auch für die beigegebenen Zeichnungen, bildlichen Darstellungen, Skizzen und dergleichen. Datum, Ort Unterschrift
