Kabelloos door het leven

Draadloze energieoverdracht is een uitkomst voor situaties waarin je geen stekkers kunt gebruiken. Maar ook voor het opladen van mobiele telefoons lijkt het praktisch. Je legt je mobieltje gewoon op je bureau en even later kun je weer zorgeloos bellen. De Zuid-Afrikaan Christoph Sonntag bouwde zo’n oplaadsysteem en promoveerde hierop aan de TU Eindhoven.

Er bestaan al apparaten die je draadloos kunt opladen. De elektrische tandenborstel is een goed voorbeeld: in een vochtige omgeving zoals de badkamer wil je niet te veel met stekkers en stopcontacten knoeien, maar je wilt er wel je tandenborstel kunnen opladen. Ook bestaan er al draadloze (of stekkerloze) telefoonopladers. Andere potentiële toepassingen liggen in de medische sector; je zou kunnen denken aan het opladen van pacemakers of andere elektronische implantaten waar je niet zo makkelijk met een stekkertje bij kunt.

Inductie 

De benodigde energie wordt met magneetvelden overgebracht van de lader naar het apparaat. Deze methode, magnetische inductie genaamd, wordt ook gebruikt in transformatoren. Door de primaire spoel stuur je een stroom die een magneetveld opwekt. Als je een tweede spoel dicht genoeg in de buurt brengt, zal dit magneetveld op zijn beurt weer een spanning opwekken in deze secundaire spoel (aangebracht in het apparaat dat je wilt opladen). Het rendement van deze energieoverdracht is zeventig á tachtig procent. En dat dus zonder dat er sprake is van fysiek contact.

Pick & place

Ook aan de TU/e wordt onderzoek gedaan aan deze vorm van draadloze energieoverdracht. De capaciteitsgroep Electromechanics and Power Electronics (EPE) van de faculteit Electrical Engineering werkt onder meer aan draadloze ‘pick-and-place'-robots voor de elektronica-industrie. Promovendus Christoph Sonntag ontwikkelde er de afgelopen vier jaar een systeem om draadloos mobiele telefoons of muziekspelers mee op te laden.

De Zuid-Afrikaan, die zowel vanuit EPE als de capaciteitsgroep Electrical Energy Systems (EES) werd begeleid, was wel een beetje een vreemde eend in de bijt, zegt hij zelf. "EPE heeft vooral veel ervaring met hoge vermogens; de pick-and-place robots gebruiken tot wel tien kilowatt. Mijn doel was juist een zo klein en goedkoop mogelijk systeem te maken." En dat was mogelijk, aangezien een oplader maar een paar watt gebruikt.

Echt spectaculair kun je de energieoverdracht van Sonntag niet noemen; het gaat om ongeveer acht watt over een afstand van minder dan een halve centimeter. Het is dan ook de bedoeling dat je het mobieltje direct op de oplader legt. Het gemak zit hem vooral in de afwezigheid van stekkers en het feit dat je de oplader een dunne platte plaat is die je zonder problemen in of op je bureau kwijt kunt. De telefoon wordt voorzien van een dun plaatje met een secundaire spoel met een doorsnede van twee centimeter. Sonntag: "Met deze techniek kun je in principe ook grotere afstanden overbruggen, maar daarvoor moet je grotere spoelen gebruiken." Wil je een redelijke hoeveelheid energie over meerdere meters overstralen, dan heb je ofwel enorme spoelen nodig, of je moet gigantische stromen door de primaire spoel sturen. En dat is uiteraard niet praktisch voor de thuisgebruiker.

Zeskantig 

Om zoveel mogelijk vermogen op te wekken op een klein oppervlak, liet Sonntag zeskantige spoelen vervaardigen op een printplaatje. "Die zeskantige vorm zorgt voor een efficiënt gebruik van het oppervlak van de printplaat en bovendien is deze vorm ideaal als je magnetische strooivelden wilt kunnen uitdoven."

Door een ingenieus stukje elektronica voelt het platform zelf wanneer en waar er een oplaadbaar apparaat op wordt gelegd. Alleen de drie dichtstbijzijnde spoelen worden vervolgens -om redenen van energiezuinigheid- ingeschakeld, volgens Sonntag een verbetering ten opzichte van bestaande systemen. "Het platform kan ook het verschil zien tussen een mobiele telefoon en bijvoorbeeld een sleutelbos of een colablikje." Wel fijn, omdat je anders het risico loopt dat de oplader je cola spontaan verwarmt als je een blikje op je bureau zet.

Blootstellen

Energieoverdracht over grote afstanden kan ongewenst zijn, omdat je mensen niet onnodig wilt blootstellen aan sterke magnetische velden. Hoewel de schadelijkheid hiervan nooit afdoende is aangetoond, kun je maar beter aan de veilige kant blijven. Bovendien kunnen de magneetvelden nabij geplaatste apparatuur storen. Dat is ook de reden dat Sonntag in zijn draadloze oplader, vooral bij wijze van proef, een systeem heeft ingebouwd dat de zogeheten magnetische strooivelden -die niet bijdragen aan de energieoverdracht, maar zich wel door de ruimte verspreiden- zo veel mogelijk tegengaat.

Sonntags platform maakt daarbij gebruik van het feit dat magnetische velden, net als water- en geluidsgolven, elkaar kunnen uitdoven. Deze zogeheten destructieve interferentie optimaliseerde hij door de drie actieve spoelen onafhankelijk van elkaar aan te sturen. "Dat is echt nieuw en blijkt te werken, maar je kunt beter speciale materialen gebruiken om de magneetvelden af te schermen", zegt de Zuid-Afrikaan eerlijk. "Dat is effectiever. Alleen als dat niet mogelijk is, zou ik voor deze oplossing kiezen."

bron: TU Eindhoven