Een team onder leiding van Christoph Utschick en Prof. Rudolf Gross, natuurkundigen aan de Technische Universiteit van München (TUM), heeft een spoel ontwikkeld met supergeleidende draden die een vermogen van meer dan vijf kilowatt contactloos en met slechts kleine verliezen kunnen overbrengen. Het brede veld van denkbare toepassingen omvat onder meer autonome industriële robots, medische uitrusting, voertuigen en zelfs vliegtuigen.

Contactloze krachtoverbrenging heeft zichzelf al bewezen als een belangrijke technologie als het gaat om het opladen van kleine apparaten zoals mobiele telefoons en elektrische tandenborstels. Gebruikers zouden ook graag zien dat contactloos opladen mogelijk wordt gemaakt voor grotere elektrische machines zoals industriële robots, medische apparatuur en elektrische voertuigen.

Dergelijke apparaten kunnen op een laadstation worden geplaatst wanneer ze niet in gebruik zijn. Dit zou het mogelijk maken om zelfs korte stilstandtijden effectief te gebruiken om hun batterijen op te laden. Echter, de momenteel beschikbare transmissiesystemen voor high-performance opladen in het kilowattbereik en hoger zijn groot en zwaar, omdat ze zijn gebaseerd op koperen spoelen.

Werken in een onderzoekspartnerschap met de bedrijven Würth Elektronik eiSos en supergeleidercoatingspecialist Theva Dünnschichttechnik, een team van natuurkundigen onder leiding van Christoph Utschick en Rudolf Gross is erin geslaagd een spoel te maken met supergeleidende draden die in staat zijn tot contactloze vermogensoverdracht in de orde van grootte van meer dan vijf kilowatt (kW) en zonder noemenswaardig verlies.

Verminderd wisselstroomverlies in supergeleiders

Dit betekende dat de onderzoekers een uitdaging moesten overwinnen. Ook in supergeleidende transmissiespoelen treden geringe wisselstroomverliezen op. Deze verliezen nemen toe naarmate de transmissieprestaties toenemen, met een beslissende impact:de oppervlaktetemperatuur van de supergeleidende draden stijgt en de supergeleiding stort in.

De onderzoekers ontwikkelden een speciaal spoelontwerp waarbij de afzonderlijke windingen van de spoel door afstandhouders van elkaar worden gescheiden. "Deze truc vermindert het wisselstroomverlies in de spoel aanzienlijk, ", zegt Christoph Utschick. "Als gevolg hiervan, krachtoverbrenging zo hoog als het kilowattbereik mogelijk is."

Optimalisatie met analytische en numerieke simulaties

Het team koos voor hun prototype een spoeldiameter die resulteerde in een hogere vermogensdichtheid dan mogelijk is in commercieel beschikbare systemen. "Het basisidee bij supergeleidende spoelen is om binnen de kleinst mogelijke wikkelruimte een zo laag mogelijke wisselstroomweerstand te bereiken en zo de verminderde geometrische koppeling te compenseren, ', zegt Utschick.

Dit riep de onderzoekers op om een ​​fundamenteel conflict op te lossen. Als ze de afstand tussen de windingen van de supergeleidende spoel klein maakten, de spoel zou zeer compact zijn, maar er zou een gevaar zijn dat de supergeleiding tijdens bedrijf instort. Grotere scheidingen zouden daarentegen resulteren in een lagere vermogensdichtheid.

"We hebben de afstand tussen de afzonderlijke wikkelingen geoptimaliseerd met behulp van analytische en numerieke simulaties, ", zegt Utschick. "De scheiding is ongeveer gelijk aan de helft van de breedte van de bandgeleider." De onderzoekers willen nu werken aan het verder vergroten van het zendvermogen.

Spannende toepassingsgebieden

Als ze slagen, de deur gaat open naar een groot aantal zeer interessante toepassingsgebieden, bijvoorbeeld toepassingen in industriële robotica, autonome transportvoertuigen en hightech medische apparatuur. Utschick stelt zich zelfs elektrische racevoertuigen voor die dynamisch kunnen worden opgeladen op het circuit, evenals autonome elektrische vliegtuigen.

Grootschalige toepasbaarheid van het systeem staat nog steeds voor een obstakel, echter. De spoelen vereisen constante koeling met vloeibare stikstof, en de gebruikte koelvaten mogen niet van metaal zijn. De wanden van metalen vaten zouden anders aanzienlijk opwarmen in het magnetische veld, net als een pan op een inductiekookplaat.

"Er is nog geen cryostaat zoals deze die in de handel verkrijgbaar is. Dit zal een uitgebreide hoeveelheid verdere ontwikkelingsinspanningen betekenen, " zegt Rudolf Gross, Professor voor Technische Natuurkunde aan de Technische Universiteit van München en directeur van het Walther-Meissner-Instituut van de Beierse Academie van Wetenschappen en Geesteswetenschappen. "Maar de prestaties tot nu toe betekenen een grote vooruitgang voor contactloze krachtoverbrenging op hoge vermogens."