Draadloos opladen via geluid

Dertig jaar geleden werd er al voorzichtig mee geëxperimenteerd: apparaten draadloos van energie voorzien via geluid. De kersverse doctor Maurice Roes weet ook niet precies waarom het sindsdien nauwelijks nog is onderzocht. “Het onderzoeken van inductieladen via elektromagnetische velden lag in ieder geval veel meer voor de hand. Misschien is het overbrengen via geluid ook lastiger omdat het kennis van zoveel verschillende disciplines vergt”, gist Roes.

Wat het ook is, inmiddels is inductieladen gemeengoed, vooral in elektrische tandenborstels en mobiele telefoons. Maar ook autofabrikanten hebben hun zinnen op de techniek gezet voor het gebruik in elektrische auto’s. Dat terwijl het Roes de grootste moeite kostte om ook maar een enkele publicatie te vinden over onderzoek naar het overbrengen van energie via geluid.

Roes deed de afgelopen jaren aan de Technische Universiteit Eindhoven onderzoek naar de mogelijkheid van draadloze overdracht van energie via geluid. Een techniek die in theorie een groter bereik en een betere efficiëntie heeft dan het ingeburgerde inductieladen.

Met een honkbalknuppel tegen een veertje

Zoals gezegd, voor de ultrakorte afstand (typisch in de orde van een centimeter) bestaat er al prima draadloze energieoverdracht. Inductieladen werkt via een spoel die een elektromagnetisch veld opwekt, dat wordt opgevangen door een tweede spoel in het op te laden apparaat. Deze zet het veld weer om in elektriciteit. Bij inductieladen gaat typisch een paar procent van de energie verloren. “Maar zodra de afstand tussen de spoelen groter wordt, zakt de efficiëntie dramatisch”, zegt Roes. “De enige manier om verder te komen, is door veel grotere spoelen te gebruiken. Maar dat is voor veel toepassingen geen optie.”

Waar Roes al snel tegenaan liep, waren de beperkingen van het medium dat hij wilde gebruiken: de atmosfeer. “Lucht is ontzettend licht in verhouding tot het systeem waarmee je energie wilt overbrengen”, zegt Roes. “Ik vergelijk het met een honkbalknuppel waarmee je tegen een veertje aanslaat en verwacht dat het veertje even verderop weer iets zwaars in beweging brengt. Dat is lastig.”

Een ander probleem was dat geluid makkelijk weerkaatst tegen zware objecten, terwijl je juist wil dat het wordt geabsorbeerd door de ontvanger. Met dat in het achterhoofd wist Roes dat de vorm van de zender en ontvanger cruciaal was. Hij ging onder andere aan de slag met een beproefde vorm: een hoorn, die werkt als een soort omvormer. “Je gaat van geluidsgolven met een grote luchtdruk en grote snelheid naar kleinere snelheid en kleinere druk. Met dat laatste is een efficiëntere overbrenging mogelijk”, aldus Roes.

Grotere efficiëntie

Maar hoe vind je vervolgens de optimale vorm voor een zender en ontvanger? Als eerste probeerde Roes met de computer te modelleren wat de beste vorm zou zijn voor een efficiënte energie-overdracht. “Je kijkt dan naar de vorm van de geluidsbundel die het apparaat creëert,” zegt hij, “en welke frequenties er goed of juist slecht worden overgebracht.”

De criteria verschillen overigens wezenlijk van die van een luidspreker die is bedoeld om zoveel mogelijk verschillende frequenties ongeveer even hard door te geven. “Dat was voor mijn onderzoek niet relevant,” zegt Roes, “hier draait het juist om energie-efficiëntie. Dan kan het helpen dat een bepaalde frequentie heel erg wordt versterkt, terwijl de rest wordt gedempt.”

Het vinden van de meest ideale opstelling bleek niet makkelijk. Dat had voornamelijk te maken met het feit dat er nog geen goede modellen bestaan. Dat bleek onder andere toen Roes uitrekende wat het theoretische maximum van efficiëntie is en dat vergeleek met zijn experimenten. Uit het model rolde namelijk efficiëntie van maximaal 65 procent over een afstand van een meter, waarmee het een vergelijkbaar inductief systeem makkelijk verslaat (ongeveer zes procent).

In de praktijk bleek het geluid zich wispelturiger te gedragen dan in het computermodel. Over een afstand van een centimeter haalde Roes een efficiëntie van 21,6 procent. “Als je dat vergelijkt met inductieladen dan presteert het weer een stuk slechter”, zegt Roes. Toch ziet hij nog veel ruimte voor verbeteringen. “Dit was echt een verkennend onderzoek, er moet nog heel veel uitgezocht en verbeterd worden wat dat betreft.”

Toepassingen

Oké, stel we temmen het geluid en gaan het gebruiken voor een efficiënte energieoverdracht, waar gaan we de techniek dan terugzien? Ligt een wereld zonder kabels dan eindelijk voor het grijpen? Roes denkt dat het zo’n vaart niet zal lopen. Hij benadrukt dat de overdracht niet zo ver reikt. Voor de draadloze energievoorziening van een kamer zou een groot aantal zenders nodig zijn.

Daar komt bij dat het misschien helemaal niet veilig is. “Je zult dan waarschijnlijk werken met ultrageluid waarmee we bijvoorbeeld echo’s maken. Maar doordat de intensiteit vele malen hoger moet liggen, betwijfel ik of het veilig is om te gebruiken in open ruimtes”, aldus Roes.

Wat dat betreft denk hij juist aan veel gespecialiseerder gebruik in afgesloten ruimtes. Bijvoorbeeld sensoren in pijpleidingen of vaten. Daarnaast ziet hij voordelen voor draadloos aangedreven robotarmen in fabrieken die zonder bekabeling vrijer zijn en preciezere bewegingen kunnen maken. En met een lage intensiteit zou het wellicht ook nog kunnen dienen voor het opladen van onderhuidse pacemakers.

Wat betreft de toepassing in de industrie wijst Roes op een ander voordeel. Als je het geluid niet door de lucht (zoals in dit onderzoek) maar door metaal stuurt dan verdwijnen er een paar eerder genoemde nadelen. “Omdat het medium qua dichtheid een stuk dichterbij de zender en ontvanger zit, gaat er daar mogelijk veel minder energie verloren”, zegt Roes. “Er zijn al partijen die dat onderzoeken, waaronder NASA.”

Navolging

Roes hoopt nu verder te kunnen met zijn onderzoek, maar hij weet nog niet of daar financiering voor is. “Er is nog zoveel te onderzoeken wat dat betreft. Zeker op het gebied van de omzetting van de bewegingsenergie naar elektrische energie: daar gaat nu veel verloren”, zegt Roes.

Er is nu in ieder geval een begin gemaakt, en Roes merkt dat dit al enige navolging krijgt. “Het lijkt erop dat het links en rechts wordt opgepikt door wetenschappers. Ik krijg nu zelfs regelmatig mailtjes van wetenschappers die vragen waar ze op moeten letten als ze met dit onderzoek beginnen. Ik hoop in ieder geval dat we dit werk aan de TU/e kunnen voortzetten, we hebben hier nu in ieder geval een kleine voorsprong.”