Abgekabelt

3000 US-Dollar, das war damals schon ein hübsches Sümmchen. Ausgelobt wurde der Betrag anlässlich der Weltausstellung 1904 in St. Louis. Er winkte demjenigen, der es schaffen würde, „einen Luftschiffmotor mit Energie anzutreiben, die durch den Raum übertragen wird”, so das damalige britische Fachblatt „The Electrician”. Die elektrische Energie hätte mindestens 30 Meter ohne Kabel überbrücken und eine Leistung von 75 Watt liefern müssen. Doch das Preisgeld wurde nie ausgezahlt.

Batterien werden leistungsfähiger, Mobiltelefone und MP3-Player immer kleiner, aber der Gang zur Steckdose ist noch immer nötig. Dabei geht es durchaus auch ohne Kabel. Elektrische Zahnbürsten sind ein oft genanntes Beispiel: Stehen sie in der Ladestation, berühren sich dort keine elektrischen Kontakte. Die Energie scheint wie von Geisterhand durch die Kunststoffhüllen von Ladegerät und Zahnbürste zu fließen. Möglich macht das kabellose Aufladen das physikalische Prinzip der Induktion: Fließt ein elektrischer Strom, bildet sich um einen elektrischen Leiter ein Magnetfeld. Hält man in dieses Feld einen zweiten Leiter, lässt es auch darin einen Strom fließen. Das Magnetfeld überträgt also Energie.

Das Prinzip der Induktion greift auch bei Transformatoren, wie sie in Umspannwerken stehen: Um einen rahmenförmigen Eisenkern sind zwei Spulen gewickelt, die eine unterschiedliche Zahl von Windungen haben. Liegt an der einen Spule eine Wechselspannung bestimmter Stärke, induziert das dadurch entstehende Magnetfeld im Eisenkern der zweiten Spule wegen der unterschiedlichen Zahl der Windungen eine Wechselspannung anderer Stärke. So lassen sich Spannungen vergrößern oder verkleinern – ein Prinzip, das bei der Stromversorgung vieler elektrischer Geräte greift.

Der Flop mit dem Funkturm

Neben der Induktion gibt es weitere Wege, um elektrische Energie ohne Kabel zu übertragen. Rundfunksender sind ein Beispiel: Sie strahlen elektromagnetische Wellen ab, die Radios empfangen können. Dabei findet jedoch nur eine Übertragung von Daten statt – das Radioprogramm –, was die er-forderliche Energiemenge drastisch senkt. Niemand würde heute auf die Idee kommen, auf diese Weise elektrische Geräte zu betreiben. Denn ein Sender strahlt die Energie in alle Richtungen ab und nur ein kleiner Bruchteil davon ließe sich nutzen. Das musste auch der kroatisch-amerikanische Erfinder Nikola Tesla erkennen, der dies Anfang des 20. Jahrhunderts versucht hat. Er war davon überzeugt, dass sich die Stromversorgung mit Radiowellen statt Überlandleitungen sichern lässt. Sein 1901 errichteter, 57 Meter hoher Funkturm scheiterte am Geld, hätte aber auch aus technischen Gründen nie das geleistet, was er sollte. Bei der Induktion sind die Verluste viel geringer. Und so verwundert es nicht, dass weltweit an der kabellosen Stromversorgung geforscht wird. Viele Firmen sehen darin einen Zukunftsmarkt.

Im Wireless Power Consortium (WPC) arbeiten namhafte Unternehmen wie Philips, Nokia und Olympus zusammen, um einen Standard für ein kabelloses Verfahren zu entwickeln. Das Ziel: Ein einziges Ladegerät soll die Akkus von beliebigen Handys, Digitalkameras und MP3-Playern mit Energie versorgen können. Im Lauf des Jahres 2010 wird der Standard fertig sein. Konforme Ladegeräte bestünden dann etwa aus einer Art Matte mit eingearbeiteten Spulen, die ein Magnetfeld erzeugen. In den zu ladenden Geräten stecken ebenfalls Spulen, um dem Magnetfeld die Energie zu entziehen und damit den Akku aufzuladen.

Wie schnell solche Produkte auf den Markt kommen, dazu will sich Menno Treffers, Vorsitzender des WPC und Senior Director of Standardization bei Philips, nicht äußern. „Die Integration der Spulen in Geräte wie Handys oder Kameras ist aber kein Problem”, sagt er. Das WPC macht für den Standard sehr bodenständige technische Vorgaben: Bis zu fünf Watt Leistung soll es kabellos geben. Das reicht für ein Mobiltelefon, aber nicht für ein Notebook. Die Effizienz der induktiven Übertragung soll mindestens 70 Prozent erreichen und die Distanz zwischen den Spulen höchstens einige Millimeter betragen. Der geringe Abstand ist wichtig, sonst geht die Effizienz in den Keller. Der Standard legt auch fest, dass im Leerlauf nur sehr wenig Energie verbraucht werden darf, da viele Ladegeräte ständig an der Steckdose hängen.

Kabellose Ladegeräte, die nach diesem Prinzip arbeiten, gibt es bereits vereinzelt. Allerdings eignen sie sich immer nur für bestimmte Geräte der Unterhaltungselektronik. Dell zum Beispiel hat 2009 in den USA ein Notebook-Modell auf den Markt gebracht, das sich induktiv laden lässt. Und diverse Hersteller verkaufen Ladematten: Doch um sie etwa zum Laden eines Mobiltelefons nutzen zu können, braucht man einen Adapter, in dem die Sekundärspule steckt.

Kabellos in die Birne

2007 hat das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (USA) mit einer wissenschaftlichen Veröffentlichung über resonante Induktion eine neue Idee präsentiert. Der Physiker Marin Soljacic hatte sich darüber geärgert, dass seinem Mobiltelefon immer wieder der Saft ausging und ihn der Alarmton aus dem Schlaf riss. Warum, fragte er sich, kann sich das Gerät nicht ohne mein Zutun aufladen? Er experimentierte mit zwei Spulen, die so aufeinander abgestimmt waren, dass das Magnetfeld nur bei einer bestimmten Frequenz Energie übertragen konnte. Im Labor brachte er auf diese Weise über eine Distanz von zwei Metern eine 60-Watt-Glühbirne zum Leuchten. Später führte das aus dem MIT ausgegründete Unternehmen Witricity vor, wie sich mit dem Verfahren ein Fernseher betreiben lässt.

Soljacic nutzt bei der resonanten Induktion, dass sich das Magnetfeld in der Nähe der Spule anders verhält als in größerer Entfernung: Im Nahfeld wird es nicht abgestrahlt, sondern pulsiert und bleibt quasi an der Spule hängen. Da beide Spulen dieselbe „Resonanzfrequenz” haben, fließt durch die zweite Spule trotzdem Strom. Andere Gegenstände im Raum, die nicht diese Resonanzfrequenz besitzen, nehmen dagegen kaum Energie auf. Soljacics Idee erscheint auf den ersten Blick so banal und genial zugleich, dass man sich wundert, warum sie niemand zuvor hatte. Inzwischen forscht Intel gemeinsam mit dem MIT-Ableger Witricity an der resonanten Induktion. Sony hat im Herbst 2009 angekündigt, künftig Fernsehgeräte kabellos mit Energie versorgen zu wollen – durch resonante Induktion. Doch WPC-Chef Menno Treffers bezweifelt den Sinn des Ansatzes: „Der Trick funktioniert nur in einem Abstand zur Spule, der ein bis zwei Spulendurchmesser nicht übersteigt. Vergrößert man die Distanz von zwei auf drei Spulendurchmesser, sinkt die Effizienz der Energieübertragung von knapp zehn auf unter ein Prozent.”

Reizung der Netzhaut

Zweifel am Nutzen der resonanten Induktion hat auch Achim Enders, Direktor des Instituts für Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität (TU) Braunschweig. Er glaubt nicht, dass sich dabei die festgelegten Grenzwerte für die Exposition von Menschen in elektromagnetischen Feldern einhalten lassen: „Soljacic nimmt in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von 2008 die magnetische Feldstärke eines Kernspintomographen als Indiz dafür, dass die Magnetfeldstärke seiner resonanten Induktion bei zehn Megahertz mit den Grenzwerten verträglich ist”, sagt Enders. „Aber die Grenzwerte hängen stark von der Frequenz ab, sodass Soljacics Demonstration die zulässigen Grenzwerte tatsächlich um das Hundert- bis Tausendfache übersteigt.”

Elektromagnetische Wechselfelder unter 100 Megahertz erzeugen im menschlichen Körper physiologische Reaktionen. So kann es zu einer Reizung der Netzhaut kommen, die man als Flimmern vor den Augen wahrnimmt. Bei höheren Frequenzen erwärmt sich auch das Körpergewebe. „Es fällt mir schwer zu glauben, dass das der Gruppe am MIT unbekannt ist”, meint Enders. „Natürlich sollte man niemals nie sagen, doch die induktive Kopplung über große Abstände bereitet enorme Probleme, wenn es um den Schutz von Menschen geht.”

Angesichts der Schwierigkeiten, die eine erfolgreiche kabellose Energieübertragung bereits im Kleinen bereitet, überrascht es, dass das Prinzip schon länger in der Industrie angewandt wird. Beispielsweise bei fahrerlosen Transportsystemen in Fabrikhallen: In der Gläsernen Manufaktur in Dresden fertigt VW den Phaeton auf einer Art Podest. Die Montagegeräte, die um das Auto herumfahren, werden induktiv gespeist. Und der kanadische Eisenbahnhersteller Bombardier betreibt zu Testzwecken auf seinem Firmengelände in Bautzen eine fahrdrahtlose Straßenbahn, die ebenfalls induktiv mit Energie versorgt wird. Die Anfang 2009 offiziell vorgestellte Technik „Primove” richtet sich an Stadtverwaltungen, die sich um das historische Straßenbild sorgen, wenn Oberleitungen und die zugehörige Infrastruktur für eine Straßenbahnlinie aufgebaut werden müssten. Bombardier verspricht eine Dauerleistung der Bahn von 250 Kilowatt.

Aufladen im Vorüberfahren

Geistiger Vater der Technik bei VW, Bombardier und Transrapid ist Jürgen Meins, Professor am Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der TU Braunschweig. Er sieht auch im Individualverkehr eine zukunftsträchtige Anwendung für die induktive Stromversorgung. „Doch das ist nichts, was sich innerhalb von ein paar Jahren umsetzen lässt”, betont er. Seine Vision: Elektroautos werden über Induktionsschleifen fahren, die sie berührungsfrei mit Energie versorgen. Ein Wechsel des leeren Akkus an einer Tankstelle wäre dann genauso überflüssig wie umständliche Ladevorgänge per Kabel. Im Modell klappt das bereits, wie die IAV, ein Berliner Ingenieurdienstleister der Automobilindustrie, beweist. Die Modellautos des Unternehmens tragen an der Unterseite Spulen und werden über Induktionsschleifen in der Fahrbahn angetrieben. „Künftig könnte es zwei Varianten für die Energieversorgung geben – stationär und dynamisch”, erklärt Steffen Kümmell, Mitarbeiter für Technologie-Monitoring der IAV. Bei der stationären Variante könnte auf Parkplätzen oder in der Garage in den Boden eine Spule integriert sein, die an eine zweite Spule in der Unterseite des parkenden Fahrzeugs Energie überträgt. „Ich fahre selbst ein Elektroauto und weiß, welche Unannehmlichkeiten ein Kabel mit sich bringt”, sagt Kümmell. „Es wird schmutzig, weil es über den Boden streift, und es ist störrisch wie ein Gartenschlauch.” Schon die Bequemlichkeit der Fahrzeughalter befeuert daher das Interesse am kabellosen Aufladen. Drei Kilowatt Leistung – so viel wie eine gewöhnliche Steckdose schafft – soll in einer ersten Version stationär übertragen werden.

Die dynamische Variante ist komplizierter: Die Autos fahren dabei über Straßenabschnitte mit Induktionsspulen. 15 Zentimeter Abstand zwischen Straße und Fahrzeugspule wäre ein guter Kompromiss zwischen einem großen Wirkungsgrad und der notwendigen Bodenfreiheit, so die bisherigen Überlegungen der IAV-Forscher. Es ist aber auch ein System denkbar, das den Abstand zwischen Spule und Straße aktiv regelt und ständig variiert – und dadurch einen höheren Wirkungsgrad erreicht. Technisch sind stationäres und dynamisches Verfahren prinzipiell möglich. Allerdings erfordert vor allem das dynamische Laden hohe Investitionen in Technologieentwicklung und Infrastruktur, und es lohnt sich erst nach einem Durchbruch der Elektroautos am Markt. Auch die Frage der zulässigen Grenzwerte für elektromagnetische Felder steht wieder im Raum. „Bei der Automobilbranche und den Energieversorgern stößt der Ansatz aber auf großes Interesse”, sagt Kümmell. Der VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.) erarbeitet derzeit eine Richtlinie, damit alle Beteiligten Komponenten entwickeln können, die miteinander kompatibel sind – eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg. ■

Technikjournalist Michael Vogel wäre froh, wenn der Kabelsalat in seinem Büro verschwinden würde.

von Michael Vogel