Praktisches Power Beaming wird real

Ein Jahrhundert später wird Nikola Teslas Traum wahr

Ein von PowerLight Technologies entwickeltes Power-Beaming-System übertrug während einer Demonstration im Jahr 2019 im Hafen von Seattle Hunderte Watt Leistung.

Drähte haben viel Wenn es darum geht, elektrische Energie zu transportieren, entscheiden wir uns für sie, aber sie haben auch ihre Nachteile. Wer hat es schon nicht satt, sein Telefon und andere wiederaufladbare Geräte ein- und ausstecken zu müssen? Es ist ein Ärgernis.

Kabel stellen auch für Elektrizitätsversorger eine Herausforderung dar: Diese Unternehmen müssen sich Mühe geben, die Spannung, die sie an ihre Übertragungskabel anlegen, auf sehr hohe Werte zu erhöhen, um zu vermeiden, dass auf dem Weg ein Großteil der Energie verloren geht. Und wenn es darum geht, öffentliche Verkehrsmittel, einschließlich elektrischer Züge und Straßenbahnen, mit Strom zu versorgen, müssen Drähte zusammen mit Roll- oder Schleifkontakten verwendet werden, deren Wartung mühsam ist, Funken erzeugen kann und in manchen Umgebungen problematische Verunreinigungen erzeugt.

Viele Menschen sind hungrig nach Lösungen für diese Probleme – ein Beispiel dafür ist die weit verbreitete Einführung des kabellosen Ladens im letzten Jahrzehnt, vor allem für tragbare Unterhaltungselektronik, aber auch für Fahrzeuge. Ein kabelloses Ladegerät erspart Ihnen zwar das wiederholte Anschließen und Trennen von Kabeln, die Distanz, über die auf diese Weise Energie geliefert werden kann, ist jedoch recht kurz. Tatsächlich ist es schwierig, ein Gerät aufzuladen oder mit Strom zu versorgen, wenn der Luftspalt nur wenige Zentimeter, geschweige denn ein paar Meter, beträgt. Gibt es wirklich keine praktische Möglichkeit, Strom ohne Kabel über größere Entfernungen zu übertragen?

Für manche weckt die ganze Vorstellung der drahtlosen Energieübertragung Bilder von Nikola Tesla mit Hochspannungsspulen, die Miniaturblitze ausspucken. Das wäre keine so dumme Verbindung. Tesla hatte tatsächlich die Idee verfolgt, den Boden und die Atmosphäre irgendwie als Kanal für die Energieübertragung über große Entfernungen zu nutzen, ein Plan, der zu nichts führte. Doch sein Traum, elektrische Energie kabellos über große Entfernungen zu transportieren, blieb bestehen.

Um die Sicherheit des Systems zu unterstreichen, steckte der Moderator der BBC-Wissenschaftssendung „Bang Goes the Theory“ sein Gesicht vollständig in einen Energiestrahl.

Guglielmo Marconi, ein Zeitgenosse von Tesla, fand heraus, wie man „Hertzsche Wellen“ oder elektromagnetische Wellen, wie wir sie heute nennen, nutzen kann, um Signale über große Entfernungen zu senden. Und dieser Fortschritt brachte die Möglichkeit mit sich, dieselbe Art von Wellen zu nutzen, um Energie von einem Ort zum anderen zu transportieren. Schließlich gelangte die gesamte in Holz, Kohle, Öl und Erdgas gespeicherte Energie ursprünglich auf diese Weise hierher: Sie wurde als elektromagnetische Wellen – Sonnenlicht – 150 Millionen Kilometer weit durch den Weltraum übertragen – der größte Teil davon vor Millionen von Jahren.

Kann die gleiche grundlegende Physik genutzt werden, um heute Kabel zu ersetzen? Meine Kollegen und ich vom US Naval Research Laboratory in Washington, D.C. sind dieser Meinung, und hier sind einige der Gründe dafür.

Im vergangenen Jahrhundert gab es sporadische Versuche, elektromagnetische Wellen als Mittel zur drahtlosen Energieübertragung zu nutzen, doch diese Versuche führten zu gemischten Ergebnissen. Das vielleicht goldene Jahr für die Forschung zur drahtlosen Energieübertragung war 1975, als William Brown, der für Raytheon arbeitete, und Richard Dickinson vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (inzwischen im Ruhestand) Mikrowellen nutzten, um Energie mit mehr als 50 Prozent End-to-End durch ein Labor zu strahlen Endeffizienz. In einer separaten Demonstration konnten sie mehr als 30 Kilowatt über eine Distanz von etwa einer Meile (1,6 Kilometer) liefern.

Diese Demonstrationen waren Teil einer größeren Kampagne der NASA und des US-Energieministeriums, um die Machbarkeit von Solarsatelliten zu untersuchen, die, so wurde vorgeschlagen, eines Tages Sonnenlicht im Weltraum sammeln und die Energie als Mikrowellen auf die Erde senden würden. Da diese Forschungsrichtung jedoch zu einem großen Teil durch die Energiekrise der 1970er Jahre motiviert war, ließ das Interesse an Solarsatelliten in den folgenden Jahrzehnten zumindest in den Vereinigten Staaten nach.

Obwohl Forscher die Idee von Solarsatelliten mit einiger Regelmäßigkeit erneut aufgreifen, haben diejenigen, die tatsächlich Power Beaming demonstrierten, Schwierigkeiten, die 1975 erreichte Höchstmarke in Bezug auf Effizienz, Entfernung und Leistungsniveau zu übertreffen. Aber diese Situation beginnt sich zu ändern, dank verschiedener neuerer Fortschritte in den Sende- und Empfangstechnologien.

Während einer Demonstration im Jahr 2019 im Naval Surface Warfare Center in Bethesda, Maryland, transportierte dieser Laserstrahl sicher 400 Watt über eine Distanz von 325 Metern.US Naval Research Laboratory

Die meisten frühen Bemühungen zur Strahlleistung beschränkten sich auf Mikrowellenfrequenzen, den gleichen Teil des elektromagnetischen Spektrums, in dem es heute von Wi-Fi, Bluetooth und verschiedenen anderen drahtlosen Signalen wimmelt. Diese Wahl war teilweise auf die einfache Tatsache zurückzuführen, dass effiziente Mikrowellen-Sende- und -Empfangsgeräte leicht verfügbar waren.

Es gab jedoch Effizienzsteigerungen und eine erhöhte Verfügbarkeit von Geräten, die mit viel höheren Frequenzen arbeiten. Da die effektive Übertragung von Energie innerhalb bestimmter Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums durch die Atmosphäre eingeschränkt ist, haben sich Forscher auf Mikrowellen-, Millimeterwellen- und optische Frequenzen konzentriert. Während Mikrowellenfrequenzen in puncto Effizienz einen leichten Vorsprung haben, erfordern sie größere Antennen. Daher funktionieren für viele Anwendungen Millimeterwellen- oder optische Verbindungen besser.

Bei Systemen, die Mikrowellen und Millimeterwellen verwenden, verwenden die Sender typischerweise elektronische Festkörperverstärker und Phased-Array-, Parabol- oder Metamaterialantennen. Der Empfänger für Mikrowellen oder Millimeterwellen verwendet eine Reihe von Elementen, die Rectennas genannt werden. Dieses Wort, ein Kunstwort aus Gleichrichter und Antenne, spiegelt wider, wie jedes Element die elektromagnetischen Wellen in Gleichstrom umwandelt.

Jedes für die optische Energieübertragung konzipierte System würde wahrscheinlich einen Laser verwenden – einen mit einem eng begrenzten Strahl, beispielsweise einen Faserlaser. Bei den Empfängern für die optische Energieübertragung handelt es sich um spezielle Photovoltaikzellen, die Licht einer einzelnen Wellenlänge mit sehr hoher Effizienz in elektrische Energie umwandeln. Tatsächlich können Wirkungsgrade von über 70 Prozent erreicht werden, mehr als das Doppelte einer typischen Solarzelle.

Im US Naval Research Laboratory haben wir den größten Teil der letzten 15 Jahre damit verbracht, verschiedene Optionen für Power Beaming zu untersuchen und mögliche Anwendungen zu untersuchen. Dazu gehören die Verlängerung der Flugzeiten und Nutzlastkapazitäten von Drohnen, die Stromversorgung von Satelliten im Orbit bei Dunkelheit, die Stromversorgung von Rovern, die in dauerhaft beschatteten Regionen des Mondes operieren, das Senden von Energie aus dem Weltraum an die Erdoberfläche und die Verteilung von Energie an Truppen auf dem Schlachtfeld.

Man könnte meinen, dass ein Gerät, das große Energiemengen in einem schmalen Strahl durch die Luft schickt, wie ein Todesstrahl klingt. Dies bringt eine entscheidende Überlegung auf den Punkt: die Leistungsdichte. Technisch sind unterschiedliche Leistungsdichten möglich, die von zu niedrig, um nützlich zu sein, bis zu hoch genug, um gefährlich zu sein, reichen. Es ist aber auch möglich, einen Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen zu finden. Und es gibt auch clevere Möglichkeiten, Strahlen mit hoher Leistungsdichte sicher nutzen zu können. Genau das hat ein Team, dem ich angehörte, 2019 getan und wir haben diese Arbeit seitdem erfolgreich ausgebaut.

Einer unserer Industriepartner, PowerLight Technologies, früher bekannt als LaserMotive, entwickelt seit mehr als einem Jahrzehnt laserbasierte Power-Beaming-Systeme. Dieses für den Gewinn der NASA Power Beaming Challenge im Jahr 2009 bekannte Unternehmen hat nicht nur Erfolge bei der Stromversorgung von Kletterrobotern, Quadcoptern und Starrflügeldrohnen erzielt, sondern sich auch eingehend mit den Herausforderungen der sicheren Energieübertragung mit Lasern befasst. Das ist von entscheidender Bedeutung, denn viele Forschungsgruppen haben im Laufe der Jahre Laserleistungsstrahlen demonstriert – darunter Teams am Naval Research Laboratory, der Kindai University, dem Beijing Institute of Technology, der University of Colorado Boulder, JAXA, Airbus und anderen –, aber nur wenige haben es auf eine Weise erreicht, die unter allen plausiblen Umständen wirklich sicher ist.

Im Laufe der Jahre gab es viele Demonstrationen von Power Beaming, entweder mit Mikrowellen [blau] oder Lasern [rot], wobei der Spitzenleistungsrekord im Jahr 1975 aufgestellt wurde [oben]. Im Jahr 2021 belegten der Autor und seine Kollegen den zweiten und dritten Platz für die in solchen Experimenten erreichte Spitzenleistung, indem sie mit viel kleineren Antennen mehr als ein Kilowatt über Entfernungen von mehr als einem Kilometer strahlten.David Schneider

Die vielleicht dramatischste Demonstration sicherer Laserleistungsstrahlen vor den Bemühungen unseres Teams fand 2012 bei der Firma Lighthouse Dev statt. Um zu unterstreichen, wie sicher das System war, steckte der Moderator der BBC-Wissenschaftssendung „Bang Goes the Theory“ sein Gesicht vollständig hinein ein Energiestrahl, der zwischen Gebäuden der University of Maryland gesendet wird. Diese spezielle Demonstration machte sich die Tatsache zunutze, dass einige Infrarotwellenlängen für Ihre Augen um eine Größenordnung sicherer sind als andere Teile des Infrarotspektrums.

Diese Strategie funktioniert für Systeme mit relativ geringem Stromverbrauch. Wenn man jedoch das Niveau erhöht, erreicht man schnell Leistungsdichten, die unabhängig von der verwendeten Wellenlänge Sicherheitsbedenken aufwerfen. Was dann? Hier zeichnet sich das von uns demonstrierte System aus. Während der Strahl mehr als 400 Watt über eine Entfernung von mehr als 300 Metern sendete, befand er sich in einem virtuellen Gehäuse, das ein auftreffendes Objekt erkennen und die Ausrüstung dazu veranlassen konnte, die Stromversorgung des Hauptstrahls zu unterbrechen, bevor Schaden angerichtet wurde. Andere Tests haben gezeigt, dass Übertragungsentfernungen einen Kilometer überschreiten können.

Sorgfältige Tests (für die keine Moderatoren von BBC-Wissenschaftsprogrammen eingesetzt wurden) bestätigten zu unserer Zufriedenheit die Funktionalität dieser Funktion, die auch beim Laser Safety Review Board der Marine bestanden wurde. Im Verlauf unserer Demonstration bewährte sich das System weiter, als Vögel mehrmals auf den Strahl zuflogen und ihn abschalteten – allerdings nur für einen Moment. Sie sehen, das System überwacht das Volumen, das der Strahl einnimmt, sowie seine unmittelbare Umgebung, sodass die Stromverbindung automatisch wiederhergestellt werden kann, wenn der Weg wieder frei ist. Stellen Sie sich das wie eine anspruchsvollere Version eines Garagentor-Sicherheitssensors vor, bei dem die Unterbrechung eines Schutzstrahls dazu führt, dass der Motor, der das Tor antreibt, abschaltet.

Die 400 Watt, die wir übertragen konnten, waren zwar keine große Menge, reichten aber aus, um uns Kaffee zu kochen.

Bei unseren Vorführungen konnten die anwesenden Beobachter zwischen Sender und Empfänger umhergehen, ohne Laserschutzbrillen tragen oder andere Vorsichtsmaßnahmen treffen zu müssen. Denn wir haben das System nicht nur so konzipiert, dass es sich automatisch abschaltet, sondern auch darauf geachtet, die möglichen Auswirkungen von Reflexionen am Empfänger oder der Lichtstreuung durch in der Luft entlang des Strahlwegs schwebende Partikel zu berücksichtigen.

Letztes Jahr führten der Autor und seine Kollegen eine Demonstration in der Blossom Point-Testanlage der US-Armee südlich von Washington, D.C. durch. Sie verwendeten 9,7-Gigahertz-Mikrowellen, um 1.649 Watt (Spitzenleistung) von einem Sender zu senden, der mit einer Parabel mit 5,4 Metern Durchmesser ausgestattet war Antenne [oben] über eine Distanz von 1.046 Metern zu einer 2 x 2 Meter großen „Rectenna“ [Mitte], die auf einem Turm [unten] montiert war und den Strahl in nutzbare elektrische Energie umwandelte.US Naval Research Laboratory

Die 400 Watt, die wir übertragen konnten, waren zwar keine große Menge, aber sie reichten aus, um uns Kaffee zuzubereiten und damit das fortzusetzen, was in dieser Experimentierreihe zum Muss geworden ist: die Zubereitung eines Heißgetränks. (Die japanischen Forscher, die diese Tradition im Jahr 2015 begannen, bereiteten sich Tee zu.)

Unser nächstes Ziel ist die Anwendung von Power Beaming mit vollständig integrierten Sicherheitsmaßnahmen auf mobilen Plattformen. Dafür gehen wir davon aus, dass sich die zurückgelegte Distanz und die Menge der gelieferten Leistung erhöhen werden.

Aber wir sind nicht allein: Auch andere Regierungen, etablierte Unternehmen und Startups auf der ganzen Welt arbeiten an der Entwicklung eigener Energiestrahlsysteme. Japan ist seit langem führend in der Mikrowellen- und Laserstrahlung, und China hat die Lücke geschlossen, wenn nicht sogar überholt, ebenso wie Südkorea.

Auf der Ebene der Unterhaltungselektronik gibt es viele Player: darunter Powercast, Ossia, Energous, GuRu und Wi-Charge. Und der multinationale Technologieriese Huawei erwartet, dass Power Beaming für das Aufladen von Smartphones innerhalb von „zwei oder drei [Telefon-]Generationen“ erfolgen wird.

Für industrielle Anwendungen machen Unternehmen wie Reach Labs, TransferFi, MH GoPower und MetaPower Fortschritte beim Einsatz von Power Beaming, um das heikle Problem zu lösen, Batterien für Roboter und Sensoren in Lagern und anderswo voll und einsatzbereit zu halten. Auf Netzebene versuchen Emrod und andere, die Leistungsübertragung auf ein neues Niveau zu bringen.

Im Bereich Forschung und Entwicklung hat unser Team im vergangenen Jahr die sichere drahtlose Mikrowellen-Energieübertragung von 1,6 Kilowatt über eine Entfernung von einem Kilometer demonstriert. Auch Unternehmen wie II-VI Aerospace & Defense, Peraton Labs, Lighthouse Dev und andere haben in letzter Zeit beeindruckende Fortschritte gemacht. Heutzutage arbeiten ehrgeizige Start-ups wie Solar Space Technologies, Solaren, Virtus Solis und andere, die im Stealth-Modus arbeiten, hart daran, die ersten zu sein, die eine praktische Energieübertragung vom Weltraum zur Erde realisieren können.

Wenn solche Unternehmen eine nachgewiesene Erfolgsbilanz in Sachen Sicherheit vorweisen und überzeugende Argumente für den Nutzen ihrer Systeme vorbringen, werden wir wahrscheinlich ganz neue Architekturen für die Energieübertragung von Ort zu Ort entstehen sehen. Stellen Sie sich Drohnen vor, die auf unbestimmte Zeit fliegen können, und elektrische Geräte, die niemals angeschlossen werden müssen – niemals – und die in der Lage sind, Menschen überall auf der Welt mit Energie zu versorgen, wenn Hurrikane oder andere Naturkatastrophen das örtliche Stromnetz zerstören. Die Verringerung des Transportbedarfs für Treibstoff, Batterien oder andere Formen gespeicherter Energie wird weitreichende Folgen haben. Es ist nicht die einzige Option, wenn man keine Drähte verlegen kann, aber meine Kollegen und ich gehen davon aus, dass die Energieübertragung im Rahmen der möglichen Technologien zur Stromversorgung weit entfernter Orte im wahrsten Sinne des Wortes glänzen wird.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Juni 2022 unter dem Titel „Spooky Power at a Distance“.