Drie spoelen, een paar centimeter lucht en een apparaat dat elektriciteit ontvangt zonder dat het op een stopcontact is aangesloten. In de laboratoria van de Aalto Universiteit in Finland hebben onderzoekers een systeem ontwikkeld dat in staat is energie draadloos over te dragen met een efficiëntie tot 91%. De eigenaardigheid ligt in het vermogen van het oppervlak om onafhankelijk te identificeren waar het van stroom te voorzien apparaat zich bevindt, zonder dat er positiesensoren nodig zijn.
Het resultaat werd verkregen op een afstand van 3,7 centimeter tussen zender en ontvanger, zoals gedocumenteerd door een onderzoek gepubliceerd in IEEE Access. Een afstand die uiteraard nog beperkt is, maar de vooruitgang betreft vooral de vrijheid van positionering. Iedereen die wel eens geprobeerd heeft een smartphone op een draadloze oplader te zetten, kent die kleine zoektocht naar waar opladen precies werkt. Finse onderzoekers werken er juist aan om deze beperking te overwinnen.
De technologie heet draadloze energieoverdracht. Het bestaat al een tijdje, maar de meest recente ontwikkelingen leiden tot onderzoek naar oppervlakken die apparaten die in verschillende posities zijn geplaatst van stroom kunnen voorzien, zonder ze elke keer met de zender te hoeven uitlijnen.
Het oppervlak dat energie overbrengt waar het nodig is
Het prototype van onderzoekers Masoud Sharifian Mazraehmollaei en Ilkka Laakso maakt gebruik van drie gedeeltelijk overlappende zendspoelen, elk met een diameter van 18 centimeter. Wanneer een apparaat dat is uitgerust met een ontvanger dichter bij het oppervlak wordt gebracht, verandert dit de elektromagnetische omstandigheden van het circuit. De dichtstbijzijnde spoelen absorberen het vermogen dat nodig is voor de overdracht, terwijl de verste spoelen in wezen inactief blijven.
In de praktijk herkent het oppervlak waar het de energie naartoe moet sturen door het gedrag van het circuit zelf. Zonder camera’s, positiesensoren of een apart elektronisch systeem dat continu kiest welke spoel moet worden geactiveerd. Tijdens de experimenten maten de onderzoekers een overdrachtsefficiëntie van ongeveer 91 procent bij een scheiding van 37 millimeter, die op ongeveer 89 procent bleef toen de scheiding werd vergroot tot 45 millimeter.
De onderzoekers simuleerden ook een versie met zeven zenders, die een efficiëntie van ongeveer 94% behaalden, met variaties van minder dan 1% in de onderzochte posities. Een andere simulatie analyseerde de overdracht naar twee ontvangers tegelijkertijd. De mogelijkheid om het oplaadgebied uit te breiden en meer apparaten van stroom te voorzien is vooral interessant in industriële omgevingen, waar apparaten vaak bewegen en fysieke verbindingen een obstakel kunnen vormen.
Van batterijladers tot robots die energie ontvangen terwijl ze bewegen
Aalto University werkt al enkele jaren aan draadloze oplaadsystemen die de grenzen van traditionele inductiebases kunnen overwinnen. Al in 2022 presenteerden de onderzoekers een technologie die ook op commerciële robots werd getest, in samenwerking met het Finse bedrijf Solteq Robotics. Het systeem maakte het mogelijk energie over te dragen naar apparaten die op verschillende posities op een uitgerust oppervlak waren geplaatst, waardoor de lading zelfs tijdens het bewegen behouden bleef.
Voor een geautomatiseerd magazijn zou een dergelijke oplossing bijzonder nuttig kunnen zijn. Robots die goederen en materialen verplaatsen, moeten periodiek stoppen om hun batterijen op te laden. Een oppervlak dat hen tijdens bepaalde fasen van hun werk van voedsel kan voorzien, zou deze onderbrekingen verminderen.
Toepassingen zouden zich ook kunnen uitstrekken tot moeilijk bereikbare industriële sensoren en elektronische apparaten die tegenwoordig speciale oplaadstations vereisen. Onderzoek begint ook uit de laboratoria te verdwijnen. Willo Technologies werd geboren in 2024, een ondernemersinitiatief ontwikkeld op basis van de technologieën van de Finse universiteit, met als doel draadloze oplaadsystemen voor consumentenelektronica en de industrie te creëren.
Hoe ver kan elektriciteit reizen zonder kabels?
Afstand blijft een grote uitdaging. De meest voorkomende draadloze oplaadsystemen gebruiken variabele magnetische velden om energie van de ene spoel naar de andere over te dragen. Ze werken vooral goed als de zender en ontvanger dicht bij elkaar zijn. Door ze weg te halen, wordt het handhaven van hoge prestaties ingewikkelder. In 2023 bestudeerde een andere groep van de Universiteit van Aalto hoe de energieoverdracht tussen twee antennes kon worden verbeterd door in te grijpen op de verliezen die gepaard gaan met elektromagnetische straling.
Bij het experiment werden twee ronde antennes gebruikt met een straal van 3,6 centimeter, gescheiden door 18 centimeter. De onderzoekers lieten zien hoe bepaalde configuraties van elektrische stromen verliezen kunnen verminderen en de efficiëntie kunnen verbeteren, zelfs op grotere afstanden dan die van traditionele oplaadstations. Dit is een andere onderzoekslijn dan die van het nieuwe prototype, maar beide pakken een van de fundamentele problemen van draadloze transmissie aan: zoveel mogelijk energie overbrengen naar de plek waar dat nodig is.
De toekomst van draadloze elektriciteit
Toepassingen zouden ook elektrische auto’s kunnen bereiken, via parkeerplaatsen uitgerust met oplaadplatforms, en bepaalde implanteerbare medische apparaten, waarvoor het vervangen van een batterij bijzonder ingewikkeld kan zijn. Uit hetzelfde Finse onderzoek uit 2026 blijkt dat warmtebeheer, betrouwbaarheid van componenten en evaluatie van blootstelling aan elektromagnetische velden nog steeds noodzakelijke stappen zijn voordat het prototype in een commercieel product wordt omgezet.
Ondertussen heeft het experimentele systeem aangetoond dat het energie met een hoog rendement kan overbrengen en zich kan aanpassen aan de positie van de ontvanger. Zonder dat je er met extra sensoren naar hoeft te zoeken. Elektriciteitsnetwerken zullen hun eigen kabels nodig blijven hebben, net zoals zenders van stroom moeten worden voorzien. In sommige toepassingen kan het de laatste fysieke verbinding zijn die verdwijnt: die tussen het apparaat en zijn energiebron. En voor een robot die in een magazijn werkt, zou het al een groot verschil zijn om elektriciteit te kunnen ontvangen zonder de activiteiten voortdurend te onderbreken.
