drahtlose energie ubertragung - christian pötter · sein funktionsprinzip ist eine praktische...
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Drahtlose Energieubertragung
Facharbeit im Leistungskurs Physik
Stadtisches Gymnasium Sundern
eingereicht bei
Herrn Herbert Muller
Christian Potter
Lindenstraße 4
59846 Sundern-Langscheid
Langscheid, 31. Marz 2009
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Reflexion zur Erschließung des Themas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Methodische Uberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Theoretische Grundlagen 2
2.1 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Kopplung von Schwingkreisen durch Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Tesla-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Nikola Tesla 13
3.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 System of Transmission of Electrical Energy - US Patent Nr. 645.576 . . . 13
3.3 US Patent Nr.787,412 und 1,119,732 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 Zahnburste 18
5 Passive RFID-Transponder 18
6 WiTricity 20
6.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.2 Versuchdaten/Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
7 Space Based Solar Power 27
7.1 Energieubertragung via Mikrowellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7.2 Energieubertragung via Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8 Gefahrdung fur den Menschen 31
9 Zusammenfassung 32
10 Literaturverzeichnis 33
11 Abbildungsverzeichnis 35
12 Anmerkungen zu Abbildungen und Literatur 36
13 Versicherung der selbstandigen Abfassung der Arbeit 37
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1 Einleitung
1.1 Reflexion zur Erschließung des Themas
Am 22. August 2008 stellte der Chip-Hersteller Intel ein Verfahren vor, mit dem man
Notebooks in Zukunft drahtlos mit Strom versorgen konnen soll. Justin Rattner, Vize-
prasident und Technologie-Chef des Unternehmens, demonstrierte dies, indem er eine 60
Watt Gluhbirne ohne Anschluss eines Kabels in einer Entfernung von 30cm zum Leuchten
brachte. [7]
Abbildung 1: Versuchsaufbau Intel
Dieses brachte mich auf die Idee, mich naher mit diesem Thema zu beschaftigen. Unter
anderem stellte ich mir die Fragen, wie effizient diese Ubertragungstechnik ist, wie man
sie umsetzten kann und ob sie fur den Menschen gefahrlich ist.
1.2 Methodische Uberlegungen
Ich werde zuerst nach vergleichbaren Zielsetzungen in der Vergangenheit suchen. Anschlie-
ßend werde ich recherchieren, ob, und wenn ja, wo eine drahtlose Energieubertragung
bereits heute eingesetzt wird, um schließlich mit Visionen fur die Zukunft zu enden.
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2 Theoretische Grundlagen
2.1 Induktion
Die erste Idee eines jeden Physikers, wenn man ihn auf drahtlose Energieubertragung
anspricht, wird hochstwahrscheinlich die Induktion sein. Das Grundprinzip dahinter ist
Folgendes: Wenn ein Strom durch einen elektrischen Leiter fließt, entsteht um ihn herum
ein magnetisches Wirbelfeld.
B =µr · µ0 · I
2π · r(1)
B : Magnetische Flussdichte
µr : relative Permeabilitat
µ0 : magnetische Feldkonstante
I : elektrische Stromstarke
r : Abstand vom Leiter
Dieses physikalische Phanomen lasst sich allerdings auch umkehren. Bewegt man einen
elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, so wird eine Spannung im Leiter induziert. Dieses
Phanomen bezeichnet man als Induktion. Es wurde als erstes von dem Physiker Michael
Faraday im Jahre 1831 entdeckt.
Diese Erscheinung lasst sich mit Hilfe der Lorentzkraft erklaren:
Die Lorentzkraft wirkt auf bewegliche elektrische Ladungen in einem Magnetfeld.
FL = q · v ·B · sinα (2)
FL : Lorentzkraft
q : bewegliche elektrische Ladung
B : Magnetische Flussdichte
v : Geschwindigkeit
α : Winkel zwischen ~v und ~B
Wenn man also einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld B mit der Geschwindigkeit
v bewegt, wirkt die Lorentzkraft auf die beweglichen elektrischen Ladungen q in diesem.
Diese werden nun aufgrund der Lorentzkraft in eine Richtung bewegt, welche sich mit der
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Drei-Finger-Regel bestimmen lasst. Hierbei sammeln sich die Elektronen in einer Halfte
des Leiter. Aus diesem Grund entsteht in der anderen Halfte des Leiters ein Elektronen-
mangel. Eine Spannung entsteht.
|Ui| = B · l · v · sinα (3)
Ui : Induktionsspannung
B : Magnetische Flussdichte
l : Lange des Leiters
v : Geschwindigkeit
α : Winkel zwischen ~v und ~B
Allerdings muss der Leiter nicht zwingend bewegt werden, um in diesem einen Strom zu
induzieren. Es wird auch ein Strom induziert, wenn sich der Magnetische Fluss in einer
Leiterschleife andert.
Φ = B · A0 · cosα (4)
Φ : Magnetischer Fluss
B : Magnetische Flussdichte
A0 : Querschnittsflache der von der Leiterschleife gebildeten Flache
Der Magnetische Fluss gibt die Anzahl der Feldlinien in einer Leiterschleife an. Dieser
Fluss andert sich, wenn sich das Magnetfeld oder die wirksame Querschnittsflache der
Leiterschleife andert. Somit wird in diesen beiden Fallen ein Strom im Leiter induziert.
Dieses fand der Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1861 heraus.
Fur eine Spule ergeben sich somit folgende Formeln.
B = µr · µ0 ·N · Il
(5)
Ui = −N · Φ (6)
B : Magnetische Flussdichte
µr : relative Permeabilitat
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µ0 : magnetische Feldkonstante
N : Anzahl der Windungen der Spule
I : elektrische Stromstarke
l : Lange der Spule
Ui : Induktionsspannung
Φ : Magnetischer Fluss
Zusammenfassend lasst sich sagen, dass in einem elektrischen Leiter, zum Beispiel einer
Spule, ein Strom induziert wird, wenn sich dieser oder das Magnetfeld bewegt bzw. das
Magnetfeld zeitlich seine Starke andert.
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2.2 Transformator
Abbildung 2: Aufbau eines Transformator [21]
Ein Transformator dient dazu, die Spannung und die Stromstarke eines Stromes zu andern.
Sein Funktionsprinzip ist eine praktische Umsetzung der Induktion, wobei die Spule, wel-
che das Magnetfeld erzeugt, und die Spule, in der eine elektrische Spannung induziert wird,
durch einen Eisenkern miteinander verbunden sind. Die Spule, die sich im Primarkreis be-
findet, hat eine andere Windungszahl, als jene im Sekundarkreislauf.
Wenn man nun den Magnetischen Fluss (7) der beiden Spulen betrachtet,
Φ = B · A0 · cosα (7)
fallt auf, dass man bei beiden Spulen zu dem selben Ergebnis kommt. Die wirksame Flache
A der Spulen ist bei beiden die Selbe, da sie beide um den selben Eisenkern gewickelt
sind und somit den gleichen Durchmesser und auch den gleichen wirksamen Flacheninhalt
haben. Das magnetische Feld ist das Selbe, da das Magnetfeld, welches die erste Spule
erzeugt, durch den Eisenkern nahezu verlustfrei in die zweite Spule ubertragen wird.
Drahtlose Energieubertragung Seite 6
Wenn man nun das Induktionsgesetz fur Spulen (8) nach dem Magnetischen Fluss um-
formt
Ui = −N · Φ (8)
Ui
N= Φ (9)
(10)
und die beiden entstandenen Gleichungen fur die beiden Spulen gleichsetzt, so ergibt
sich folgendes Ubersetzungsverhaltnis zwischen Spannung und Windungszahl der beiden
Spulen (13): [17]
U1
N1
=U2
N2
(11)
U1 ·N2 = U2 ·N1 (12)
U1
U2
=N1
N2
(13)
Da die elektrische Leistung (14) an einem stark belasteten Transformator an beiden Spulen
identisch ist, lasst sich obige Gleichung um die Stromstarke folgendermaßen erweitern (17):
P = U · I (14)
U1 · I1 = U2 · I2 (15)
U1
U2
=I2I1
(16)
U1
U2
=N1
N2
=I2I1
(17)
N1: Windungszahl der ersten Spule
N2: Windungszahl der zweiten Spule
U1: Spannung im ersten Stromkreis
U2: Spannung im zweiten Stromkreis
I1: Stromstarke im ersten Stromkreis
I2: Stromstarke im zweiten Stromkreis
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2.3 Schwingkreis
Die Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Spule wird allgemein hin als
Schwingkreis bezeichnet. Bevor der Kondensator jedoch in die Schaltung eingesetzt wird,
muss er geladen werden.L1 C3
Abbildung 3: Schaltplan Schwingkreis
Wenn der Kondensator sich nun entlad, fießt der Strom durch die Spule, welche ein Ma-
gnetfeld aufbaut. Wenn der Kondensator sich komplett entladen hat, hat das Magnetfeld
sein Maximum an Große und Starke erreicht. Nun ist die komplette Energie von elektri-
scher Feldenergie in magnetische Feldenergie umgewandelt worden. Anschließend nimmt
die Starke des Magnetfeldes wieder ab und induziert dabei eine Spannung in der Spu-
le, welche wiederum im Kondensator gespeichert wird, bis das Magnetfeld sich komplett
abgebaut hat. Das nun im Kondensator gespeicherte Potenzial entspricht genau dem Po-
tenzial vom Anfang, nur mit einem anderen Vorzeichen. Folglich wechseln sich bei einem
Schwingkreis ein elektrisches und ein magnetisches Feld standig ab. Dieses wiederholt sich
nun immer wieder. Hierbei entsteht eine gedampfte Schwingung, dass heißt, die Ampli-
tude der Schwingung nimmt standig ab, welches durch den Ohm’schen Widerstand der
Kabel bzw. der Spule begrundet werden kann. 1
0 2,5 5 7,5
-2,5
2,5
mag. Feld
el. Feld
Abbildung 4: Phasenverschiebung Schwingkreis
1Da dieses fur die Phasenverschiebung jedoch irrelevant ist, werde ich es jedoch bei folgender Skizzevernachlassigen.
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Durch die Abwechslung von magnetischem und elektrischem Feld ergibt sich eine Phasen-
verschiebung zwischen Stromstarke und Spannung. In dem Moment, in dem die komplette
Energie im Kondensator gespeichert ist, ist auch die Spannung an diesem maximal, jedoch
fließt kein Strom. Wenn sich hingegen die komplette Energie im Magnetfeld befindet, fließt
der maximale Strom, die Spannung am Kondensator betragt jedoch 0V . [1]
0°/360°
270°
180°
90°
Abbildung 5: Sinus
Somit erhalten wir eine Phasenverschiebung von 90 zwischen Stromstarke und Spannung
im Schwingkreis.
Herleitung der Resonanzfrequenz
Der Kondensator und die Spule in einem Schwingkreis sind in Reihe geschaltet. Fur den
Gesamtwiderstand in einer Reihenschaltung gilt:
Rges = R1 +R2 + ...+Rn (18)
Der Scheinwiderstand bzw. die Impedanz einer Spule ist definiert durch
XL = 2 · π · f · L (19)
Die Impedanz eines Kondensators ist definiert durch
XC =1
2 · π · f · C(20)
wobei die Phasenverschiebung im Schwingkreis durch
−sin90 = −1 (21)
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ausgeglichen wird, wodurch sich die Impedanz des Kondensators folgendermaßen andert
XC = − 1
2 · π · f · C(22)
Somit erhalten wir fur die Gesamtimpedanz des Schwingkreises:
Z = 2 · π · f · L− 1
2 · π · f · C(23)
Wenn man sich diese Gleichung genauer ansieht, ist die einzig variable Große der Gesamt-
impedanz die Frequenz, da die Induktivitat der Spule
L =µ0 · µr ·N2 · A
l(24)
von dessen Bauart abhangt und die Kapazitat des Kondensators
C =Q
U(25)
von dessen Ladung bzw. Spannung, welche vorgegeben sind. Da die Natur immer den Weg
des geringsten Widerstandes geht, dieser ware in unserm Fall 0 Ω, stellt sich die Frequenz
auf den bestimmten Wert ein, indem sich die beiden Scheinwiderstande aufheben.
Z = 0Ω (26)
0 = 2 · π · f · L− 1
2 · π · f · C(27)
2 · π · f · L =1
2 · π · f · C(28)
f 2 =1
22 · π2 · C · L(29)
f = ± 1
2 · π ·√C · L
(30)
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2.4 Kopplung von Schwingkreisen durch Resonanz
Zwei Schwingkreise, die die selbe Resonanzfrequenz haben, sind in der Lage, uber das
Phanomen der elektromagnetischen Kopplung effizient Energie auszutauschen, wahrend
Gegenstande mit einer anderen Resonanzfrequenz kaum hiervon beeinflusst werden.
Damit man sich dieses besser vorstellen kann, hier ein Beispiel der akustischen Kopplung.
Man stelle sich einen Raum mit 100 Glasern vor, welche alle bis zu einem unterschiedli-
chen Stand mit Wasser gefullt sind. Dieses bedeutet, dass, wenn man sie beispielsweise
mit einem Loffel anstoßen wurde, alle einen unterschiedlichen Ton mit einer unterschied-
lichen Frequenz erzeugen wurden. Diese bezeichnet man als Eigenfrequenz. Nun kommt
eine Opernsangerin oder ein Opernsanger in den Raum und singt nur einen langen Ton.
Wenn dieser Ton nun die selbe Frequenz wie eines der Glaser hat, dann wird dieses zum
Schwingen angeregt. Energie wird ubertragen. Diese Energieubertragung kann sogar so
stark sein, dass das Glas platzt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Resonanzkatastrophe.
Alle anderen Glaser zeigen keine Reaktion. Sie werden nicht von den Wellen beeinflusst,
da diese eine andere Eigenfrequenz haben.
Ein anderes Beispiel fur die Kopplung findet man in der Mechanik: Stellen sie sich ein
Kind auf einer schwingenden Schaukel vor. Nur, wenn das Kind mit seinen Fußen in der
gleichen Frequenz wie die Schaukel schwingt, ist es in der Lage, Energie auf die Schaukel
zu ubertragen. Außerdem braucht das Kind keine großen Anstrengungen zu unternehmen,
die Amplitude der Schwingung der Schaukel zu vergroßern, wenn es mit seinen Fußen der
Schwingung der Schaukel immer eine Viertel-Schwingung voraus ist.
Wenn wir dieses nun wieder auf den Sachzusammenhang beziehen, entspricht die ver-
fruhte Schwingung der Fuße einer Phasenverschiebung von 90 zwischen den beiden
Schwingkreisen. Somit muss der Primarschwingkreis nur mit der ersten Schwingung den
Sekundarschwingkreis in Resonanz versetzen. Da dieser die selbe Resonanzfrequenz hat,
erhalt er die Schwingung von selbst aufrecht. Bei den weiteren Schwingungen dient der
Primarkreislauf lediglich dazu, dem Sekundarschwingkreis mehr Energie zuzufuhren.
Die Energieubertragung selbst findet entweder durch das elektrische Feld, Entstehung ei-
nes Luft-Kondensators, oder das magnetische Feld, Entstehung eines Luft-Transformators,
statt. [22]
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2.5 Tesla-Transformator
Abbildung 6: Tesla-Transformator [23]
Der Tesla-Transformator ist eine Apparatur, mit der man eine sehr hohe Spannung er-
zeugen kann, um zum Beispiel einen kunstlichen Blitz zu erzeugen.
Abbildung 7: Schaltbild Tesla-Transformator [23]
Das Grundprinzip des Tesla-Transformators baut auf zwei induktiv gekoppelten Schwing-
kreisen auf. Im ersten Stromkreis befindet sich eine Wechselstromquelle, ein Kondensator,
eine Spule und eine Funkenstrecke. Bei geschlossener Funkenstrecke bildet ein Teil dieses
Stromkreises den ersten Schwingkreis. Im zweiten Stromkreis befindet sich eine Spule,
Drahtlose Energieubertragung Seite 12
wobei diese an einem Ende geerdet ist und am anderen Ende mit einer Metallkugel ver-
bunden ist. Diese bildet zusammen mit der Erde einen Kondensator. Hierdurch entsteht
in diesem Stromkreis der zweite Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz beider Schwingkreise
ist identisch. Der sich im Primarkreis befindende Kondensator hat eine hohere Kapazitat
in Bezug auf den Kondensator im Sekundarkreis, die Spule jedoch eine sehr viel geringe
Windungszahl und somit auch eine geringe Induktivitat als die im Sekundarkreis.
Wenn man somit nur die beiden induktiv gekoppelten Spulen betrachtet und sich den
Aufbau eines normalen Transformators ansieht, fallt auf, dass im Sekundarkreislauf eine
sehr viel hohere Spannung induziert wird, als am Primarkreislauf angelegt wurde.
Wenn man nun eine Wechselspannung mit einer sehr viel geringeren Frequenz als die
Resonanzfrequenz der Schwingkreise an den Primarkreis anschließt, wird der Kondensa-
tor im selben Kreislauf geladen, bis die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke erreicht
ist, dass heißt, die Luft zwischen den Kabelenden ionisiert und leitend wird. Nun bil-
den die Spule und der Kondensator im Primarkreis einen Schwingkreis. Eine gedampfte,
hochfrequente Schwingung entsteht. Da, wie eben beschrieben, die Spulen aus den beiden
Schwingkreisen einen Luft-Transformator bilden, wird nun uber Induktion, wahrend sich
das Magnetfeld im ersten Schwingkreis aufbaut, auch in den zweiten Schwingkreis Energie
ubertragen.
Nun hat sich der Kondensator im Primarkreis komplett entleert, die Spannung an der Fun-
kenstrecke sinkt, die Luft verliert ihre Leitfahigkeit und somit ist der Primarschwingkreis
wieder geoffnet.
Die Energie des Magnetfeldes wird nun vollkommen von dem zweiten Schwingkreis auf-
genommen, da er die selbe Resonanzfrequenz wie der erste Schwingkreis besitzt. Dieser
Vorgang wiederholt sich mehrmals in der Sekunde, bis die Spannung im zweiten Schwing-
kreis so groß ist, dass sie sich uber die Metallkugel entladt. [23]
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3 Nikola Tesla
Der erste Wissenschaftler, der sich intensiv mit der Frage der drahtlosen Energieubertragung
beschaftigt hat, war Nikola Tesla.
3.1 Allgemein
Nikola Tesla wurde am 10. Juli 1856 im heutigen Kroatien geboren. Nach dem Besuch
der Volks- und Realschule studierte er an der Technischen Universitat von Graz und Prag
die Facher Mathematik, Physik und Mechanik.
Anschließend nahm er unter anderem einen Job bei Thomas Edison an, durch dessen Hilfe
er auch nach New York gelangte. Nach kurzer Zeit machte er sich jedoch selbststandig,
da Edison ein Anhanger des Gleichstroms und er selbst ein Anhanger des Wechselstroms
war und somit Disparitaten unausweichlich waren. Und so grundete er im Marz 1885 die
”Tesla Electric Light Company”. Im selben Jahr meldete er auch sein erstes Patent an,
es handelte sich um ein Patent fur Bogenlampen. Nachdem er mit seiner ersten Firma
keine Erfolge mehr hatte, grundete er nach kurzer Zeit die ”Tesla Electric Company”.
Im Jahr 1890 begann er seine Experimente mit Hochfrequenzstromen. 1895 erfand er
die Teslaspule, auch Tesla-Transformator genannt, mit welcher er spater Spannungen mit
bis zu 20 Millionen Volt erzeugen konnte. Mit Hilfe dieser hohen Spannungen gelang es
ihm, einen kunstlichen Blitz von fast 15 m Lange zu erzeugen. Im selben Jahr baute er
auch seine ersten drahtlosen Anlagen. Im Juli 1897 fand die erste drahtlose Ubertragung
von Nachrichten uber 40 km zwischen Teslas Labor und einem Schiff auf dem Hudson
River statt. Im Jahr 1899 entwickelte er kleine Modellanlagen zur drahtlosen Ubertragung
von Energie. Nachdem er einige Disparitaten mit seinen Geldgebern hatte, lies er diesen
Bereich der Physik fallen und begab sich in andere Bereiche.
Am 7. Januar 1943 starb Tesla in New York im Alter von 86 Jahren. [24]
3.2 System of Transmission of Electrical Energy - US Patent Nr.
645.576
Tesla fand in einem Experiment, welches auf den 23. Januar 1898 datiert ist, heraus, dass
Luft bei geringem Luftdruck und hohen Spannungen leitfahig wird 2 [6] . Die bei diesem
Experiment verwendete Apparatur [5] entwickelte er unter dem Aspekt der drahtlosen
Energieubertragung weiter und veroffentlichte sie schließlich in seinem Patent Nr. 645.576.
2Die Luft ionisiert.
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Abbildung 8: Apparatus for transmission of electrical energy [4]
Wie auf der Skizze von Tesla zu erkennen ist, verwendete Tesla zwei von einander ge-
trennte Stromkreise, wobei links der Sender und rechts der Empfanger zu sehen ist. Im
Stromkreis des Senders verwendete Tesla einen Generator G, an welchen eine Spule C mit
geringer Windungszahl angeschlossen ist. In diese Spule ist wiederum eine Flachspule A
mit hoher Windungszahl eingelassen, die auf der einen Seite geerdet ist und auf der an-
deren Seite mit einer Kugelelektrode D, welche als Antenne dient, verbunden ist. Es lasst
sich vermuten, dass Tesla mit dieser Skizze den von ihm einige Jahre zuvor entwickelten
Tesla-Transformator meinte. Somit erzeugt diese Apparatur einen Strom mit sehr hoher
Drahtlose Energieubertragung Seite 15
Spannung aber geringer Stromstarke. Der Empfanger ist grundsatzlich gleich aufgebaut,
nur das anstatt des Generators die Verbraucher L und M verbaut wurden.
In diesem Patent setzte er seine errungenen Erkenntnisse uber die Leitfahigkeit der Luft
um und schlug vor, die zwei in seinem Patent eingezeichneten Kugelelektroden D und D′
mittels Ballonen in eine Hohe von 6,5 km steigen zu lassen, da in hoheren Luftschichten
ein geringerer Luftdruck herrscht und somit die Leitfahigkeit der Luft erhoht ist, sodass
der Strom leichter zwischen den beiden Kugelelektroden fließen kann.
Wenn man nun einen Wechselstrom an den Sender anlegt, erzeugt dieser eine sehr hohe
Spannung. Tesla glaubte nun, dass der Blitz des Senders groß genug sei, um bis zur Ku-
gelelektrode des Empfangers zu reichen, um somit die Energie zu ubertragen. 3 Da der
Empfanger baugleich mit dem Sender ist, mit dem Unterschied, dass anstelle des Gene-
rators ein Verbraucher in dem Stromkreis eingebaut wurde, wird die empfangene Energie
von der Spule mit der hohen Windungszahl in die mit der geringeren Windungszahl indu-
ziert. Somit hat man wieder einen Strom mit einer geringen Spannung aber einer hohen
Stromstarke, so, wie ihn der Generator am Sender erzeugt hat. Strom wurde somit draht-
los ubertragen.
3.3 US Patent Nr.787,412 und 1,119,732
Da die Erteilung des Patentes Nr. 645.576 an dessen experimentelle Durchfuhrbarkeit
gebunden war, siedelte Tesla am 11. Januar 1899 nach Colorado Springs auf die ca. 2000
Meter uber dem Meer gelegene Hochebene uber, um eben dieses zu beweisen. Als es ihm
gelungen war, wurde ihm das am 02. September 1897 angemeldete Patent am 20. Marz
1900 erteilt. Angeregt durch seine Erfolge machte er weitere Experimente und kam zu dem
Schluss, dass die Energie bei seinen vorherigen Experimenten und Patenten eigentlich
durch die Erde ubertragen wurde und das seine vorherigen Patente somit falsch seien
und verbessert werden mussten. Dieses veroffentlichte er im Mai 1900 in seinem Patent
”787,412 - Art of Transmitting Electrical Energy Through the Natural Mediums”.
Seine Bemuhungen gipfelten in einem Projekt zur Energieubertragung von 10MW einmal
um die Welt mit Hilfe eines 57m hohen Turms, des Wardenclyffe-Towers in Long Island.
[2] Dessen Funktionsweise veroffentlichte er spater in seinem Patent 1,119,732 - Apparatus
for Transmitting Electrical Energy.
3In Wirklichkeit bilden die beiden Kugelelektroden einen Luft-Kondensator, der die beiden Schwingkrei-se von Sender und Empfanger elektrisch koppelt. Somit sind sie in der Lage, Energie zu ubertragen.[3]
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Abbildung 9: Apparatus for Transmitting Electrical Energy
In diesem Patent dient laut Tesla lediglich die Erde als Leiter der Energie. Tesla selbst
bezeichnet die Erde als einen perfekten elektrischen Leiter mit unmerklichem Widerstand,
Kapazitat und Selbstinduktion. Die Erde kann laut Tesla durch elektromagnetische Wellen
angeregt, diese ohne Verluste oder Verformung ubertragen. [8]
Laut Tesla wurde die Erde durch seine Anlage zum Schwingen angeregt. Befindet sich
an einer anderen Stelle der Erde ein Schwingkreis, welcher die dieselbe Resonanzfrequenz
aufweist, ist dieser in der Lage, die Schwingungen aufzufangen. Auf diese Weise behauptet
Tesla, 10MW auf eine Entfernung von 42 km ubertragen zu haben. [5] [9]
Allerdings verschlang diese Apparatur von Tesla Unmengen an Geld und so strichen seine
Geldgeber ihm nach einiger Zeit die finanziellen Mittel, da sie ihn eigentlich gesponsert
hatten, damit er Anlagen zur drahtlosen Signalubertragung und nicht etwa zur drahtlosen
Energieubertragung entwickelt. So endeten Teslas Bemuhungen im Bereich der drahtlosen
Energieubertragung.
Drahtlose Energieubertragung Seite 17
1917 wurde auch der von Tesla gebaute Wardencliffe Tower wieder abgerissen, da man
glaubte, dass er eine Navigationshilfe fur die deutschen U-Boote sein konnte. Seit dem
hat nie wieder jemand eine Apparatur in dieser Großenordnung nachgebaut. [10]
3.4 Fazit
Man sollte die Ubertragung von Energie durch die Erde nach Tesla in Frage stellen. Tesla
hat Elektronen an einer Stelle in die Erde ”gepumpt” und anschließend an einer anderen
Stelle einen Energieuberfluss gemessen. Dieses entspricht zwar genau der Funktionsweise
eines elektrischen Leiters, allerdings kann man nicht vorhersagen, geschweige denn kon-
trollieren, an welcher Stelle der Erde und nach welchem Zeitraum die Energie aus der
Erde wieder hervortritt. Außerdem liegt bis heute kein Beweis vor, dass diese Weise der
Ubertragung von Energie uberhaupt funktioniert, da keine Durchfuhrbarkeit fur die Er-
teilung des Patentes verlangt wurde, der Turm nicht mehr existiert, also das Experiment
nicht mehr nachgestellt werden kann und einige von Teslas Messungen in Bezug auf dieses
Patent nicht stimmen. [8]
Das die Ubertragung von Energie mittels hoher Spannungen, welche einen Blitz erzeugen,
aufgrund der Gefahrdung von Mensch und Tier nicht alltagstauglich ist, musste jedem
einleuchten.
Somit sind die beiden hier vorgestellten Apparaturen zur drahtlosen Ubertragung großerer
Mengen Energie von Tesla im Alltag nicht umsetzbar.
Drahtlose Energieubertragung Seite 18
4 Zahnburste
Wer sich heutzutage eine elektrische Zahnburste kauft, der wird vergeblich nach elektri-
schen Kontakten fur den Ladevorgang eines Akkus an Zahnburste und Ladestadion su-
chen, da diese im Badezimmer am Waschbecken aufgrund des Wassers viel zu gefahrlich
waren. Die Hersteller dieser Zahnbursten haben sich namlich den Aufbau eines Transfor-
mators naher angeguckt und dessen Funktionsweise fur den Ladevorgang ihres Produktes
genutzt. Der Unterschied zwischen einem Transformator und der Zahnburste ist nur, dass
der Ferrit-Kern des Transformators zwischen den beiden Spulen ”zersagt” wurde. Der
primare Kreislauf befindet sich in der Ladestation, der sekundare in der Zahnburste. Das
magnetische Feld ist nun stark genug, die Energie fast verlustfrei durch die Plastikhullen
hindurch in die zweite Spule zu induzieren.
Es ist heutzutage also bereits moglich, großere Mengen Energie uber geringe Distanzen
drahtlos zu transportieren. [11]
5 Passive RFID-Transponder
Im Zeitalter der Globalisierung wird die Logistik immer komplizierter. Die Menge der zu
transportierenden Gegenstande wird immer großer. Genau so wie die Menge der dazu-
gehorigen Informationen. Diese passen in manchen Branchen schon langst nicht mehr auf
einen Bar-Code, zudem ist es viel zu kompliziert und zeitaufwandig, den zu bearbeiten-
den Gegenstand jedes Mal so zu positionieren, dass das Bar-Code-Lesegerat dessen Inhalt
scannen kann. Deswegen gibt es die RFID-Transponder. Diese arbeiten nach dem Prinzip
des ”Radio Frequency Identification”, kurz RFID, was so viel bedeutet wie ”Identifizie-
rung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen”. Diese haben einen eingebauten Chip,
welcher die Informationen speichert. Nun braucht der Scanner diese einfach nur noch
uber Funk auszulesen.
Aber wie funktioniert das? Jeden Transponder mit einer Batterie auszustatten ware viel
zu teuer, da sie in den meisten Fallen sowieso nur ein Mal verwendet werden. Außerdem
wurden die Transponder viel zu groß. Deswegen erzeugt das stationare Lesegerat ein elek-
tromagnetisch, hochfrequentes Wechselfeld.
Als Antenne dient dem Empfanger eine Spule. In dieser Spule wird nun eine Spannung
uber das Magnetfeld des Lesegerates induziert, welche in einem Kondensator zwischen-
gespeichert wird. Da diese Energie dem Magnetfeld des Senders fehlt, erkennt er den
Transponder. Auf diese Weise werden auch noch weitere Informationen ubermittelt, da
der Chip die Energieaufnahme des Kondensators steuern kann.
Der Vorteil von dieser Technik ist, dass der Empfanger so groß wie ein Reiskorn gebaut
Drahtlose Energieubertragung Seite 19
werden kann. Nicht zu vernachlassigen sind außerdem die geringen Produktionskosten von
wenigen Cent pro Empfanger.
Zusammenfassend lasst sich sagen, dass es heute mit Hilfe der Induktion bereits moglich
ist, geringe Mengen Energie uber relativ große Distanzen von bis zu 3 m drahtlos zu
ubertragen. [12] [13]
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6 WiTricity
Auch das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hat sich mit der
Erforschung von drahtloser Stromubertragung beschaftigt. Das Projekt WiTricity, Kurz-
form von Wireless Electricity, nahm seinen Anfang, als der Leitende Professor Marin
Soljacic vor einigen Jahren zum wiederholten Male nachts von seinem Handy geweckt
wurde, weil er vergessen hatte, dieses aufzuladen, nun der Akku leer war und das Handy
einen Signalton abgab. Als Reaktion darauf dachte sich Soljacic, dass es doch moglich
sein musste, eine drahtlose Ladestation fur Handys zu erfinden, die den Handyakku au-
tomatisch aufladt, wenn man es nachts in dessen Nahe legt. Somit stand das Ziel fest, es
musste eine Moglichkeit gefunden werden, einen kompletten Raum drahtlos mit Energie
zu versorgen.
Im ersten Schritt uberlegte sich das Team um Soljacic, in welchen Bereichen es bereits
heute drahtlose Energieubertragung gibt. Als erstes fiel ihnen der Transformator ein. Er
kann mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion die Spannung und Stromstarke von
Wechselstrom andern. Dieses geschieht, wenn auch nur uber eine geringe Distanz, draht-
los. (Fur Genaueres siehe → Transformator)
Als nachstes fiel ihnen die elektromagnetische Welle bzw. das Licht in Form eines Laser-
stahls ein. Aber Energie aus Licht zu gewinnen, wie es zum Beispiel in Solarzellen der
Fall ist, gestaltet sich ziemlich kompliziert. Zudem benotigt man einen direkten Sicht-
kontakt zwischen Sender und Empfanger. Um dieses zu gewahrleisten, brauchte man ein
aufwandiges Steuerungssystem. Also fiel diese Form der Energieubertragung fur das Ziel
von Soljacic, einen ganzen Raum drahtlos mit Energie zu versorgen, weg.
Die Ubertragung von großeren Mengen Energie uber elektromagnetische Wellen, in Form
von Radiowellen oder Mikrowellen, wie es zur Ubertragung von Informationen der Fall
ist, gestaltet sich als sehr ineffizient und gefahrlich fur die Energieubertragung unter dem
Gesichtspunkt der Energieversorgung eines kompletten Zimmers, da die Wellen entweder
in alle Richtungen gesendet werden mussten, welches dazu fuhren wurde, dass sehr viel
Energie von der Umwelt absorbiert wurde und somit verloren ginge oder in Form von
Richtfunk auf den Empfanger gerichtet werden musste, was zu den selben Problemen wie
bei der Ubertragung von Energie uber das Licht fuhren wurde.
Also blieb ihnen nur die Ubertragung uber die elektromagnetische Induktion. Soljacic
uberlegte sich, dass ein Sender ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen sollte. Die
Energie wurde nur von Gegenstanden aufgenommen, die speziell auf dessen Frequenz
eingestellt wurden. Die nicht verbrauchte Energie konnte wieder vom Sender absorbiert
werden. [14] Dieses Verfahren ahnelt zwar schon sehr dem des Passive RFID, allerdings
verwenden Soljacic und sein Team nicht nur ein Magnetfeld zur Ubertragung der Energie,
sondern zusatzlich die elektromagnetische Kopplung von zwei Schwingkreisen.
Drahtlose Energieubertragung Seite 21
6.1 Versuchsaufbau
Nach einigen Jahren der Entwicklung und Simulation kamen die Forscher des MIT zu
folgendem Versuchsaufbau:
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"#$%&'()#1234516)#7#0
89
Abbildung 10: Schaltplan
In dem ersten Stromkreis befindet sich ein Funktionsgenerator, der einen Wechselstrom
mit einer Frequenz von 10 MHz erzeugt, und eine Spule mit einer Windung. Diese er-
zeugt nun ein sich zeitlich anderndes Magnetfeld. Da die Spule des zweiten Stomkreises
nur minimal von der Spule des ersten Stomkreises entfernt steht, bilden diese einen Luft-
Transformator. Somit wird die Energie in den zweiten Stromkreis induziert. Das gleiche
Prinzip findet zwischen dem dritten und vierten Kreislauf statt. Der zweite und dritte
Kreislauf sind Schwingkreise mit der gleichen Resonanzfrequenz. Uber das Phanomen der
elektromagnetischen Kopplung tauschen diese Energie aus. Strom wird ubertragen.
Die Frequenz von 10 MHz fur das Wechselfeld kann folgendermaßen erklart werden:
Wenn wir uns noch einmal in Erinnerung rufen, wie die Energie ubertragen wird, namlich
uber ein Magnetfeld, bzw. die Induktion und wir uns die entsprechenden Formeln fur eine
Spule genauer ansehen, ergeben sich folgende Proportionalitaten:
U ∼ B
U ∼ A
U ∼ v
Da im Empfanger ein gleichmaßiger Stromfluss ankommen soll, mussen wir die Gewinnung
der Energie aus dem Magnetfeld durch die Bewegung des Empfangers bzw. Senders, somit
v bzw. die Anderung von A, ausschließen. Ubrig bleibt somit nur eine zeitlichen Anderung
Drahtlose Energieubertragung Seite 22
des Magnetfeldes, B. Dieses entspricht der Frequenz, in der das Magnetfeld des Senders
oszilliert.
Es gilt also: je großer die Frequenz ist, desto mehr Energie kann ubertragen werden.
Dieses liegt in unserm Fall daran, dass in einer bestimmten Zeitspanne bei einer hoheren
Frequenz mehr Schwingungen des Schwingkreises erfolgen konnen und somit mehr Energie
ubertragen werden kann.
Wenn man sich nur an diese Bedingung halt, musste man den Versuch mit einer moglichst
hohen Frequenz, zum Beispiel im GHz-Bereich durchfuhren,
Allerdings kann ein Magnetfeld nur im nahen Feld Energie effizient ubertragen. Nahes
Feld bedeutet, dass der Abstand d zwischen der Senderspule und der Empfangerspule
d ≤ λ sein muss.
λ =c
f(31)
Wenn wir in diese Gleichung nun die Daten des Teams vom MIT einsetzen,
λ =3 ∗ 108m
s
107 1s
(32)
λ = 30m (33)
ergibt sich λ = 30m. Somit hat das nahe Feld einen Radius von 30m.
Wenn wir uns die Gleichung genauer ansehen, erkennt man, dass mit zunehmender Fre-
quenz die Wellenlange λ abnimmt und somit der Radius des nahen Feldes, indem effizient
Energie ubertragen werden kann. Somit scheint eine Frequenz von 10 MHz beide Bedin-
gungen moglichst gut zu erfullen. Einerseits ist die Frequenz groß genug, um moglichst viel
Energie zu ubertragen, andererseits das nahe Feld groß genug, um das Ziel zu erreichen,
ein komplettes Zimmer mit drahtloser Energie zu versorgen.
Drahtlose Energieubertragung Seite 23
Abbildung 11: Witricity
Doch warum braucht man vier Stromkreise? Warum verwendet man nicht einfach zwei
Schwingkreise, wobei in dem ersten Schwingkreis, dem Sender, eine Wechselstromquelle
mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und in dem Empfangerschwingkreis direkt
der Verbraucher angeschlossen wird?
Wenn man eine Wechselstromquelle direkt in Reihe mit dem Kondensator und der Spule
schalten wurde, konnte der Schwingkreis keine eigene Schwingung entwickeln, da er sich
von der Stromquelle ”loslosen”muss, um den regelmaßigen Wechsel der Energie zwischen
dem Kondensator und der Spule anzuregen. Der Kondensator konnte in diesem Fall zwar
seine gespeicherte Energie an die Spule abgeben, die Spule jedoch nicht an den Konden-
sator, da die Energie in die Stromquelle zuruckfließt.
Wenn man eine Stromquelle mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreis parallel zu diesem
schalten wurde, wurde dieser zu einem Sperrkreis. Das bedeutet, die Elektronen wurden
einmal in den Schwingkreis gelangen und nie wieder herauskommen, da der Schwingkreis
in sich eine Impedanz von 0 Ω hat, welche geringer ist als der Widerstand des restli-
chen Stromkreises. Dieses fuhrt dazu, dass die Elektronen in diesem verbleiben und der
Schwingkreis als Ersatzwiderstand einen unendlich hohen Widerstand hat. Es wurde also
bei dieser Schaltung kein Strom fließen, was dazu fuhrt, dass keine Schwingung entstehen
kann.
Drahtlose Energieubertragung Seite 24
Wenn man eine Stromquelle mit sehr viel geringerer Frequenz als die Resonanzfrequenz
des Schwingkreies parallel zu diesem schalten wurde, wie es bei einem Tesla-Transformator
der Fall ist, so wurde zwar eine Schwingung des Schwingkreises entstehen, diese wurde
aber immer wieder nach einer bestimmten Zeit erlischen. Sie wurde erst wieder bei einem
Maximum der Spannung des Wechselstroms der Stromquelle entstehen. Die ubertragene
Energie ware aber sehr viel geringer, als wenn der Schwingkreis standig mit seiner Reso-
nanzfrequenz schwingen konnte.
Wenn man eine Stromquelle mit sehr viel hoherer Frequenz als die Resonanzfrequenz des
Schwingkreies parallel zu diesem schalten wurde, konnte der Kondensator sich nicht rich-
tig aufladen, was dazu fuhren wurde, dass auch auf diese Weise keine optimale Schwingung
entsteht.
Damit also moglichst viel Energie in einem bestimmten Zeitraum ubertragen werden kann,
muss die Amplitude der Schwingung des Schwingkreises erhalten werden. Um dieses zu
erreichen, bietet sich eine induktive Kopplung zwischen einer Schaltung aus einer Wech-
selstromquelle mit der Resonanzfrequenz und einer Spule und dem Schwingkreis an. Nun
kann der Senderschwingkreis sich immer so viel Energie von dem Magnetfeld es ersten
Stomkreises holen, wie er braucht, um seine Amplitude seiner Schwingung aufrecht zu
erhalten. Entsprechendes gilt auch fur den Empfangerschwingkreis.
Drahtlose Energieubertragung Seite 25
6.2 Versuchdaten/Auswertung
Beschreibung Wert
Abstand der Schwingkreise 2m
Radius der Spule 30cm
Frequenz 10MHz
Nahe Feld des Magnetfeldes 30m
Erzeugte Energie der Sendespule 400 Watt
Empfangene Energie der Empfangerspule 60 Watt
Effizienz praktisch 15%
Effizienz theoretisch 40%
Entfernung vom Sender in m Elektrisches Feld in Vm
Magnetisches Feld in Am
0,2 1400 8
1 210 1
0 2,5 5 7,5 10
25
50
75
100TheoretischPraktisch
Effizienz in %
Entfernung der Spulen
Abbildung 12: Graph: Entfernung der Spulen → Effizienz
Drahtlose Energieubertragung Seite 26
Nachdem die ersten praktischen Versuche mit zufriedenstellenden Ergebnissen durch-
gefuhrt wurden, will das Team von WiTricity in den nachsten Jahren versuchen, alle
verwendeten Elemente kleiner zu bauen und die theoretische Effektivitat von 40% zu er-
reichen.
Auch die Firma Intel war von den Ergebnissen dieses Versuches begeistert und ubernahm
deswegen dieses Konzept und beteiligte sich ferner bei den Forschungen des MIT.
Drahtlose Energieubertragung Seite 27
7 Space Based Solar Power
Die Zukunft der Energiegewinnung liegt in den erneuerbaren Energien. Hierzu zahlt auch
die Sonnenenergie. Um diese fur die Stromerzeugung nutzbar zu machen, verwendet man
Solarzellen. Ein Nachteil dieser Energiegewinnung ist, dass sie vom Ort abhangig ist. Das
bedeutet, dass zum Beispiel in Mitteleuropa eine Energie von 1.000 kWh pro m2 pro Jahr
von der Sonne auf der Erde ankommen, wahrend in der Sahara 2.350 kWh pro m2 pro
Jahr ankommen. Des weiteren ist die Energiegewinnung aus den Sonnenstrahlen von der
Jahreszeit abhangig, da im Winter weniger Energie der Sonne auf der Erde ankommt,
als im Sommer. Zudem ist die Intensitat der Sonnenstrahlen von der Uhrzeit abhangig.
Nachts kommt so gut wie gar keine Energie auf der Erde an. Am Morgen und am Abend
nur sehr wenig, wahrend Mittags viel Energie ankommt. Außerdem ist diese Art der
Energiegewinnung vom Wetter abhangig. Des weiteren ist die Energiegewinnung durch
Solarzellen vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlen abhangig.
J = J0 · sin(β) (34)
J Strahlungsleistung der Sonnenstrahlen
J0 Strahlungsleistung bei einem Einfallswinkel von 90
β Einfallswinkel gegenuber dem Horizont
Je großer β ist, desto weniger Photonen treffen auf die Solarzelle.
Nicht zu vernachlassigen ist die Schutzschildwirkung der Atmosphare. 50% der Sonnen-
energie werden durch die Atmosphare absorbiert oder reflektiert. [18]
Wenn man sich nun alle diese Nachteile betrachtet, kommt man schnell zu dem Ergeb-
nis, dass ein Satellit im Weltall uber der Atmosphare viel bessere Eigenschaften fur die
Gewinnung von elektrischer Energie aus der Energie der Sonne hat. Er ware uber den
Wolken, somit wetterunabhangig, er ware uber der Atmosphare, die Sonne wurde ihn die
ganze Zeit mit Energie versorgen und der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen auf die Son-
nenkollektoren bzw. der Einfallswinkel der gesendeten Energie auf die Erde konnte immer
optimal eingestellt werden. Insgesamt, die Ubertragung der Energie zur Erde bereits ein-
gerechnet, ware diese Moglichkeit der Energiegewinnung uber der Atmosphare zehn mal
effizienter als mit Solarzellen auf der Erde.
Dieses dachte sich auch der Ingeneur Peter Glaser im Jahre 1968 und veroffentlichte dies
im US-Patent 3,781,647. Um die Energie von einem Satelliten zur Erde zu bekommen,
Drahtlose Energieubertragung Seite 28
wollte er diese mittels elektromagnetischer Wellen verschicken. Auf der Erde sollten die-
se dann wieder zu elektrischer Energie umgewandelt werden. Da man dieses damals aus
technischen Grunden bzw. aus Kostengrunden noch nicht umsetzen konnte, geriet diese
Idee wieder in Vergessenheit.
Abbildung 13: SBSP
Am 10. Oktober 2007 empfahl nun das National Security Space Office (NSSO) des Penta-
gons der US-Regierung in einem Bericht, aufgrund der standig steigenden Energiepreise
fur die Erforschung dieser Form der Energiegewinnung 10 Milliarden Dollar zu investieren.
In diesem Bericht schlagt die NSSO vor, ein ”Test-Weltraumkraftwerk” in einer geplan-
ten Umlaufhohe von 1100 km zu errichten, welches eine Leistung von 10 MW zur Erde
schicken konnen soll. In diesem sollen Spiegel die Sonnenstrahlen bundeln, welche wieder-
um von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden, um anschließend mittels
Mikrowellen zur Erde ”gebeamt” zu werden. Hier sollen diese Wellen dann wiederum in
elektrische Energie umgewandelt werden.
Da der Satellit standig um die Erde kreisen wird, soll in ihm auch ein Speicher fur die
gewonnene Energie eingebaut werden, damit diese, wenn sich der Satellit uber der Emp-
fangsbasis befindet, dieser zugesandt werden kann. Die Empfangsbasis, Rectena genannt,
soll einen Druchmesser von 10 km haben.
Naturlich haben die Autoren dieses Berichtes auch eine militarische Nutzung im Sinn.
Mit Hilfe dieses Satelliten sollen die Truppen der US-Regierung ihre Abhangigkeit von
lokalen Energieversorgern bei Auslandseinsatzen verlieren. Das Hauptproblem zur Zeit
ist jedoch, dass ein solches Kraftwerk ein Gewicht von 3000 Tonnen aufbringen wurde.
Dieses entsprecht dem Zehnfachen der ISS. Man brauchte unzahlige Raketenstarts, um es
zu installieren.
Drahtlose Energieubertragung Seite 29
Auch die Japaner entwickeln im Moment ein ahnliches Projekt. Sie planen jedoch, die
Energie mittels Laser zu versenden. [19]
7.1 Energieubertragung via Mikrowellen
Max Planck fand im Jahr 1900 heraus, dass die Energie einer elektromagnetischen Welle
proportional zu dessen Frequenz ist und stellte folgende Formel auf:
EPhoton = h · f (35)
EPhoton : Energie eines Photons
h : Planck’sche Wirkungsquantum
f : Frequenz.
Hieraus folgt, je großer die Frequenz ist, desto mehr Energie kann ubertragen werden.
Nur diesen Aspekt betrachtet, musste die Ubertragungfrequenz so hoch wie moglich sein.
Allerdings konnen chemische Elemente elektromagnetische Wellen mit einer ganz be-
stimmten Wellenlange absorbieren. Die hochste Frequenz, die einigermaßen effizient durch
unsere Atmosphare gelangt, liegt bei 2,45 GHz. Aus diesem Grund soll die Energie des
Satelliten mittels elektromagnetischer Wellen mit einer Frequenz von 2.45 GHz transpor-
tiert werden.
Zur Erzeugung dieser hochfrequenten elektromagnetischen Wellen wird ein Hertzdipol
verwendet. Ein Hertz’scher Dipol ist nichts anderes als ein sehr kleiner Schwingkreis. Zur
Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mittels eines Schwingkreises muss die Kapazitat
und die Induktivitat sehr klein sein. Dieses fuhrt beim Herz-Dipol dazu, dass die Spule
aus nur einer Windung besteht, die zu einem geraden Leiter verbogen wurde. Den Kon-
densator bilden nun die beiden Enden der ”Spule”.
Nach der Erzeugung der Wellen werden diese zum Beispiel mit Hilfe eines Parabolspiegels
gebundelt.
Fur das Empfangen der Wellen und das Umwandeln zuruck in el. Energie soll das glei-
che Verfahren verwendet werden. Der Hertz’sche Dipol kann elektromagnetische Wellen
namlich auch wieder empfangen und wieder zuruck in elektrische Energie umwandeln.
Diese Form der Energieubertragung soll bei dem Test-Satelliten eine Effizienz von ca. 60%
haben.
Diese Form der Ubertragung von Energie wurde von der NASA bereits im Jahre 1975
getestet. Bei diesem Test ist es der NASA gelungen, mittels einer 62m großen Sendean-
lage 43000W drahtlos uber eine Entfernung von 1.5 km mit einer Effizienz von 82 % zu
verschicken. [25]
Drahtlose Energieubertragung Seite 30
Anfang 2008 hat eine Firma aus den USA, Managed Energy Technologies (MET), ein ge-
heimes Projekt zur drahtlosen Stromubertragung durchgefuhrt. Sie haben mit Solarzellen
auf dem Schildvulkan Haleakala auf Maui Sonnenenergie in Hohe von 20 Watt gewonnen.
Diese wurde nun mit Hilfe von Hochfrequenz-Mikrowellen zur 148 Kilometern entfern-
ten Insel Hawaii ”gebeamt”. Bei diesem Experiment wurde nur wenig Energie erfolgreich
ubertragen, dieses liege allerdings mehr am geringen Budget als an der Technik, so der
Leiter des Projektes. [15]
7.2 Energieubertragung via Laser
Als weitere Ubertragungmoglichkeit kann Laserlicht dienen. Ein Laser verstarkt durch
stimulierte Emission ein Licht bzw. eine elektromagnetische Welle. Dieses lasst sich fol-
gendermaßen erklaren: Wenn Licht einer bestimmten Farbe auf ein Atom trifft, befordert
es dessen Valenzelektronen in ein hoheres Energieniveau. Das Atom wird nun als stimuliert
bezeichnet. Nach einiger Zeit, wenn die Elektronen wieder auf ihr vorheriges Energieni-
veau zuruckfallen, wird ein Licht mit der selben Frequenz erzeugt, wie das Licht hatte,
dass den vorherigen Energieniveauwechsel erst moglich machte. Wenn aber nun Licht auf
ein bereits stimuliertes Atom trifft, wird eben dieses Licht verstarkt bzw. die Amplitude
der Welle erhoht. [20] (Fur Naheres siehe Facharbeit Florian Lotze)
Empfangen werden soll die Energie mittels einer Photovoltaik-Solarzelle. Diese Funktio-
niert folgendermaßen: In ihr wurden zwei Halbleiterplatten verbaut. Die obere Schicht,
n-Schicht genannt, enthalt ein paar Atome eines anderen Stoffes, welche ein Valenzelektron
mehr besitzt, als das Material der n-Schicht. In die zweite Schicht, p-Schicht genannt, wur-
den entsprechend viele Atome mit weniger Valenzelektronen eingebaut. Wenn diese beiden
Schichten nun aufeinander treffen, tauschen diese ihre uberflussigen Elektronen bzw. Elek-
tronenlocher aus. Wenn nun Licht auf diese Verbindung trifft, wird ein Elektronen-Loch
Paar am PN-Ubergang generiert, welches durch die Diffusionsspannung am PN-Ubergang
getrennt wird. Bei diesem Vorgang entsteht eine Spannung. (Fur Naheres siehe Facharbeit
Simon Papenheim) [16]
Der Wirkungsgrad dieser Energieubertragungsart soll bereits 42 % betragen, wie Experi-
mente im September 2007 zeigten.
Vergleichend lasst sich sagen, dass die Energieubertragung uber elektromagnetische Wel-
len sehr effektiv ist, aber eine sehr große Sendeeinrichtung hierfur verwendet werden
musste, was im Moment noch das großte Problem darstellt. Die Ubertragungstechnik
uber Laserstrahlen ist zwar weniger effizient, jedoch ist die Sendeeinrichtung um ein viel-
faches kleiner.
Drahtlose Energieubertragung Seite 31
8 Gefahrdung fur den Menschen
Hinsichtlich Teslas Apparaturen ist eine Gefahrdung fur Mensch und Tier nicht auszu-
schließen, da er die Energie mittels sehr hoher Strome unkontrolliert durch die Luft und
durch die Erde verschickt hat. Dieses belegen auch Zeugenaussagen zu Teslas Experi-
menten in Colorado Springs, wonach einige Pferde verruckt spielten, da sie die gleiche
Eigenfrequenz wie der Empfanger hatten. [6]
Dieses Problem konnte auch bei der Ubertragungmethode des MIT bzw. Intel eintreten.
Auch in Bezug auf die zielgerichtete Ubertragung der Energie mittels elektromagnetischer
Wellen ist eine Gefahrdung nicht auszuschließen. Bisher gab es bereits einige Studien zu
den Auswirkungen des Elektro-Smogs auf den Menschen, die bisher immer zu dem Ergeb-
nis kamen, dass diese ungefahrlich seinen. Diese bezogen sich jedoch nur auf die elektroma-
gnetischen Wellen, die Informationen ubertragen. Bei den Wellen zur Energieubertragung
handelt es sich jedoch um viel hohere Leistungen, wie sie zum Beispiel in einem Mikro-
wellenherd vorherrschen. Zudem konnte das Problem der Storung des Funkverkehrs, des
Radio- und des Fernsehsignals in der Zone der Empfangsbasis des Solar Power Satellit auf-
treten. Aus diesem Grund mussten Flugverbotszonen und Bereiche eingerichtet werden,
in denen das betreten verboten ist.
Drahtlose Energieubertragung Seite 32
9 Zusammenfassung
Zusammenfassend lasst sich sagen, dass es heute bereits mehrere gute Ansatze gibt, Ener-
gie drahtlos zu ubertragen, ausgereift ist allerdings noch kein Verfahren und jeder Ansatz
hat auch seine Nachteile.
Die kreisformige Energieubertragung mit Hilfe der Induktion von geringen Mengen Ener-
gie uber relativ große Distanzen oder die Ubertragung von relativ großen Mengen Energie
uber kurze Distanzen ist bereits moglich. In einigen Jahren wird es auch moglich sein, mit
Hilfe der magnetischen Kopplung von Schwingkreisen auch großere Mengen Strom uber
großere Distanzen zu verschicken.
Eine zielgerichtete Ubertragung der Energie ist schon heute moglich, allerdings ist eine
Gefahrdung fur den Menschen hierbei nicht auszuschließen.
Drahtlose Energieubertragung Seite 33
10 Literaturverzeichnis
[1] Dorn Bader, Physik Sek 2 Gymnasium Gesamtband, Schroedel Verlag, ISBN 3-
507-10724-4, S. 280
[2] Suddeutsche Zeitung Nr. 276 vom 27.11.2008, S. 16
[3] Gunter Wahl/Burkhard Kainka, Lernpaket Tesla-Energie Handbuch, Franzis Ver-
lag, Poing, ISBN 978-3-7723-5226-3, S. 22
[4] Experimente mit drahtloser Energieubertragung nach Tesla, 2004 Franzis Verlag
GmbH, ISBN 3-7723-5505-6
[5] http://www.teslasociety.ch/TES DOKU/Teslas Transmitter - Bericht von Andre
Waser CH-Einsiedeln.doc.pdf
[6] http://www.xy44.de/skalar/tesla.htm
[7] http://www.tomshardware.com/de/drahtlose-Energieubertragung-
Nanotubes,news-241527.html
[8] http://home.arcor.de/GDN2/Seiten/Publikationen/tesla energie uebertragung.pdf
[9] http://www.oevr.at/news/2007-08-14-teslaexp.html
[10] http://flos-homepage.de/index.php?pro=teslaerfindungen
[11] http://www.zdnet.de/mobile/wireless/0,39023428,39195344-2,00.htm
[12] http://de.wikipedia.org/wiki/Radio Frequency Identification
[13] http://www.rfid-ready.de/technische-rfid-standards.html
[14] http://www.mit.edu/ soljacic/AIP press.pdf
[15] http://derstandard.at/?url=/?id=122045857542
[16] http://www.buch-der-synergie.de/c neu html/c 04 19 sonne pv weitere einsatzformen.htm
[17] http://www.mehr-davon.de/content/protokolle/protokoll18.pdf
[18] http://www.physik.uni-regensburg.de/didaktik/Schulphysik/Waermel/W7 WaermeUebertr Input.pdf
[19] http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,511203,00.html
[20] http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/lasers/lasers2.html
Drahtlose Energieubertragung Seite 34
[21] http://de.wikipedia.org/wiki/Transformator
[22] http://www.mit.edu/ soljacic/MIT WiTricity Press Release.pdf
[23] http://de.wikipedia.org/wiki/Tesla-Transformator
[24] http://www.ebe-online.de/home/tgobmaie/tesla/lebdat.htm
[25] http://nss.org/settlement/ssp/NASADVD/part04.htm
Drahtlose Energieubertragung Seite 35
11 Abbildungsverzeichnis
1 Versuchsaufbau Intel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Aufbau eines Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Schaltplan Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 Phasenverschiebung Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5 Sinus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6 Tesla-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7 Schaltbild Tesla-Transformator - Wikipedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
8 Apparatus for transmission of electrical energy . . . . . . . . . . . . . . . . 14
9 Apparatus for Transmitting Electrical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . 16
10 Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
11 Witricity, Quelle: MIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
12 Graph: Entfernung der Spulen → Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
13 SBSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Drahtlose Energieubertragung Seite 36
12 Anmerkungen zu Abbildungen und Literatur
Diese Arbeit basiert zum Teil auf Quellen aus dem Internet. Da alle Quellen zusammen
in gedruckter Form einen Rahmen von 100 DIN A4 Seiten sprengen wurden, verzichte ich
darauf, diese dem Anhang beizufugen. Die besagten Internetseiten liegen jedoch in gespei-
cherter Form bei mir vor und konnen auf Nachfrage eingesehen werde. Entsprechendes
gilt fur die verwendeten Bucher.
Drahtlose Energieubertragung Seite 37
13 Versicherung der selbstandigen Abfassung der Arbeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende schriftliche Facharbeit selbstandig ver-
fasst und keine anderen als die von mir angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen
der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen sind,
wurden in jedem Fall unter Angabe der Quellen (einschließlich des World Wide Web und
anderer elektronischer Text- und Datensammlungen) kenntlich gemacht. Dies gilt auch
fur die beigegebenen Zeichnungen, bildlichen Darstellungen, Skizzen und dergleichen.
Datum, Ort Unterschrift