Einem Team um die Physiker Christoph Utschick und Professor Rudolf Gross von der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, eine Spule aus supraleitenden Drähten herzustellen, die berührungslos und mit minimalen Verlusten Leistungen von über fünf Kilowatt übertragen kann. Das breite Anwendungsspektrum umfasst autonome Industrieroboter, Medizintechnik, Fahrzeuge und sogar Flugzeuge.

Die kontaktlose Energieübertragung hat sich bereits als Schlüsseltechnologie zum Laden kleiner Geräte wie Mobiltelefone und elektrische Zahnbürsten etabliert. Anwender wünschen sich auch die Verfügbarkeit kontaktloser Ladetechnologie für größere elektrische Maschinen wie Industrieroboter, medizinische Geräte und Elektrofahrzeuge.

Diese Geräte könnten an einer Ladestation platziert werden, wenn sie nicht in Gebrauch sind. Dadurch ließen sich selbst kurze Ausfallzeiten effektiv zum Aufladen ihrer Akkus nutzen. Die derzeit verfügbaren Übertragungssysteme für Hochleistungsladung im Kilowattbereich und darüber sind jedoch groß und schwer, da sie auf Kupferspulen basieren.

In Zusammenarbeit mit den Firmen Würth Elektronik eiSos und dem Spezialisten für supraleitende Beschichtungen Theva Dünnschichttechnik ist es einem Team von Physikern unter der Leitung von Christoph Utschick und Rudolf Gross gelungen, eine Spule mit supraleitenden Drähten zu entwickeln, die in der Lage ist, kontaktlose Energie in der Größenordnung von mehr als fünf Kilowatt (kW) ohne nennenswerte Verluste zu übertragen.

Reduzierung von Wechselstromverlusten in Supraleitern:
Um dies zu erreichen, mussten die Forscher eine Herausforderung meistern. Auch in supraleitenden Übertragungsspulen treten geringe Wechselstromverluste auf. Diese Verluste nehmen mit steigendem Übertragungswirkungsgrad zu, was eine entscheidende Folge hat: Die Oberflächentemperatur der supraleitenden Drähte steigt, und die Supraleitfähigkeit sinkt rapide.

Die Forscher entwickelten eine spezielle Spulenkonstruktion, bei der die einzelnen Spulenwicklungen durch Abstandshalter voneinander getrennt sind. „Dieser Trick reduziert die Wechselstromverluste in der Spule deutlich“, sagt Christoph Utschick. „Dadurch ist eine Leistungsübertragung bis in den Kilowattbereich möglich.“.

Optimierung mittels analytischer und numerischer Simulationen.
Das Team wählte für seinen Prototyp einen Spulendurchmesser, der eine höhere Leistungsdichte als bei kommerziell erhältlichen Systemen ermöglichte. „Die Grundidee supraleitender Spulen besteht darin, den geringstmöglichen Widerstand gegen Wechselstrom auf kleinstem Raum zu erreichen und so die reduzierte geometrische Kopplung zu kompensieren“, erklärt Utschick.

Dies zwang die Forscher, einen grundlegenden Konflikt zu lösen. Würde man den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule verringern, wäre die Spule zwar sehr kompakt, es bestünde aber die Gefahr, dass die Supraleitung im Betrieb zusammenbricht. Größere Abstände hingegen würden eine geringere Leistungsdichte zur Folge haben.

„Wir haben den Abstand zwischen den einzelnen Wicklungen mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert“, sagt Utschick. „Der Abstand entspricht in etwa der halben Breite des Leiterbandes.“ Die Forscher wollen nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

Spannende Anwendungsgebiete:
Bei Erfolg eröffnen sich zahlreiche spannende Anwendungsbereiche, darunter Industrierobotik, autonome Fahrzeuge und Hightech-Medizintechnik. Utschick sieht sogar elektrische Rennwagen vor, die dynamisch auf der Rennstrecke geladen werden können, sowie autonome Elektroflugzeuge.

Die großflächige Anwendbarkeit des Systems steht jedoch noch vor einer Herausforderung. Die Spulen benötigen eine ständige Kühlung mit flüssigem Stickstoff, und die verwendeten Kühlbehälter dürfen nicht aus Metall bestehen. Andernfalls würden sich die Wände der Metallbehälter im Magnetfeld erheblich erhitzen, ähnlich wie ein Topf auf einem Induktionskochfeld.

„Einen solchen Kryostaten gibt es derzeit nicht auf dem Markt. Dies erfordert einen erheblichen Entwicklungsaufwand“, sagt Rudolf Gross, Professor für Technische Physik an der Technischen Universität München und Direktor des Walther-Meissner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. „Die bisherigen Ergebnisse stellen jedoch einen wichtigen Fortschritt für die kontaktlose Energieübertragung bei hohen Leistungspegeln dar.“.

Veröffentlichung:

Christoph Utschick, Cem Som, Ján Souc, Veit Große, Fedor Gömöry und Rudolf Gross.
Supraleitende drahtlose Energieübertragung jenseits von 5 kW mit hoher Leistungsdichte für industrielle Anwendungen und schnelles Laden von Batterien.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2. Februar 2021.
Link: https://ieeexplore.ieee.org/document/9345521

Weitere Informationen:

Der Kooperationspartner Würth Elektronik eiSos definierte das Thema und finanzierte die dieser Publikation zugrunde liegende industrielle Vermarktung. Wesentliche Teile der Forschung wurden am Walther-Meissner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt. Die verwendeten Hochtemperatur-Supraleiter wurden von Theva Dünnschichttechnik, einem Spin-off-Unternehmen der Technischen Universität München, geliefert.