drahtlose energie ubertragung - christian pötter · sein funktionsprinzip ist eine praktische...

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

Drahtlose Energieubertragung Seite 1

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.


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


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


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


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


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)


µr : relative Permeabilitat


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.


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.


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


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.


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)


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)


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]


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,


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]


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.


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


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]


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.


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.


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


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]


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.


6.1 Versuchsaufbau

Nach einigen Jahren der Entwicklung und Simulation kamen die Forscher des MIT zu

folgendem Versuchsaufbau:

!"#$

%$ %&

'$

%( %)

'(

*$

!

"#$%&'()#

*+,-./0

"#$%&'()#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


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.


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.


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.


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


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.


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,


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.


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]


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.


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.


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.


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


[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


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


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.


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

drahtlose energie ubertragung - christian pötter · sein funktionsprinzip ist eine praktische...

Documents