‘Hoe kunnen we draadloos opladen efficiënter maken?’

Voor de Universiteit Van Vlaanderen buigt Sofie Pollin (KU Leuven) zich over de vraag of we stopcontacten binnenkort vervangen door draadloze elektriciteit.

We krijgen allemaal stress als we op stap moeten met een smartphone die nog slechts 10% opgeladen is. Nu we allemaal binnenkort terug op vakantie kunnen, wordt het tijd om paklijsten aan te leggen met aandacht voor de juiste kabeltjes en stopcontacten voor het buitenland. Het is bijzonder frustrerend als je op vakantie merkt dat je wel je tandenborstel bij hebt, maar niet de juiste oplader. Of wel die voor je tandenborstel, maar die niet die voor je smartwatch, of je airpods, of voor je tablet. Thuis hebben we allemaal plaatsen in huis met een overdaad aan kabels, achter de TV of in ons thuiskantoor. Hoe zalig zou het zijn als we al die draden en kabeltjes in de vuilbak konden gooien. Gewoon je TV opladen door die aan de muur te hangen. Of je telefoon altijd kunnen opladen, waar je die ook laat rondslingeren in huis.

Al onze elektronica heeft natuurlijk elektriciteit nodig. ‘Elektriciteit’ wordt vaak kortweg ‘stroom’ genoemd. Dat komt omdat de elektronen door een elektrische draad heen ‘stromen’. In die elektrische draad zit een geleider, koper, waarin elektronen vrij kunnen bewegen. Rond die koperen kern zit ook een isolerend materiaal. Ook lucht isoleert, en verhindert het stromen van elektronen.

Ondertussen kan je de meeste recente smartphones draadloos opladen: je moet ze gewoon eventjes op een oplaadvlak leggen. Er wordt geen geleidend contact gemaakt. Deze systemen werken volgens het principe van magnetische inductie, ook gekend als de inductiewet van Faraday. Dat is hetzelfde principe als gebruikt wordt in inductiekookplaten of een inductiemotor. In het oplaadvlak, en in onze telefoon, zit telkens een spoel.Een stroom die vloeit door een spoel of een geleider, wekt een magnetisch veld op. Het was Michael Faraday die ontdekte dan een variërende stroom resulteert in een variërend magnetisch veld, dat op zijn beurt een elektrisch veld opwekt. Als je dan een gesloten stroomkring zich in dit elektrisch veld brengt, zal daar een stroom gaan vloeien. Een batterij verbonden met een spoel is zo een gesloten stroomkring waarin we een stroom kunnen induceren. De stroom gaat vloeien door inductie, niet door geleiding.

De efficiëntie die je kan behalen met deze inductie kan vrij hoog zijn, al is die iets lager dan bij het gebruik van geleiding. Je elektriciteitsfactuur voor het opladen van je telefoon is iets groter als je kiest voor inductief opladen, maar dit is verwaarloosbaar in vergelijking met grootverbruikers thuis. Wat is efficiëntie: dat is de hoeveelheid energie in je batterij opgeslagen wordt, ten opzichte van de hoeveelheid energie je uit het net haalt. De eenheden hiervoor zijn Joule of Kilowattuur. Bij magnetische inductie is je efficiëntie hoger als je je twee spoelen goed op mekaar afstemt. We weten allemaal dat ons inductievuur het beste werkt als we onze kookpot recht op het vuur zetten.

Als ingenieur willen we onze systemen graag optimaliseren, en dan is het handig om gebruik te maken van een wiskundig modellen. Het was James Maxwell die met de wetten van Maxwell de wiskundige basis legde voor het elektromagnetisme. Op basis van deze wiskundige modellen, hebben ingenieurs in de loop der jaren verschillende toepassingen ontwikkeld. Een daarvan is bijzonder populair: draadloze communicatie met elektromagnetische golven. Die golven zijn in feite ook variërende magnetische en elektrische velden. De snelheid waarmee deze velden variëren, is gekend als de frequentie van de elektromagnetische golf. Zo hebben we analoge radio rond 100MHz, digitale Wi-Fi rond 2.5 GHz. En zichtbaar licht, ook een elektromagnetische golf, heeft een frequentie tussen 400 en 700 THz. Een THz is 1000 GHz, en een GHz is 1000 MHz. Het elektromagnetische spectrum is een breed spectrum met golven met verschillende eigenschappen en toepassingen, en allemaal volgen ze die wetten van Maxwell uit de fysica.

Dus een spoel is een antenne? Een spoel is ontworpen zodat die velden vooral sterk zijn in de buurt van de spoel. Antennes zijn zo ontworpen dat ze goed zijn in het genereren van velden met een bepaalde frequentie die zich goed kan voortplanten door de lucht, of stralen. Als je een antenne hebt, met een bepaalde lengte, dan is er altijd precies een frequentie waarvoor de antenne echt goed werkt. Een goede radioantenne is niet zo geschikt voor je Wi-Fi router. Verschillende structuren zijn nodig voor verschillende frequenties en afstanden. Het zijn ingenieurs die met die wetten van Maxwell systemen bouwen die goed zijn voor alle toepassingen.

Het probleem met die elektriciteitsafstand op lange afstand, gebruik makend van straling, is dat die niet efficiënt is. Een zender is typisch niet zo directioneel, en straalt in alle richtingen. Het gevolg is dat je op realistische afstand van je zender vaak al heel weinig vermogen kunt opvangen met je ontvanger. Dus je toestel met de platte batterij, zal die batterij slechts heel traag kunnen bijladen. De trend is kwadratisch. Dat wil zeggen dat als we de afstand maal 10 doen, de efficiëntie daalt met een factor 100. Draadloze elektriciteit is dus mogelijk, maar niet efficiënt op grotere afstand.

Wat kunnen we doen om de efficiëntie te vergroten? We kunnen de oppervlakte van onze ontvanger groter maken. Of we kunnen onze zender krachtiger en meer directioneel maken. Maar krachtige en directionele zenders maken is niet toegelaten. Voor elektromagnetische straling met een frequentie onder de 300 GHz, straling die niet zichtbaar is, gelden de stralingsnormen. Die normen bepalen hoeveel niet-natuurlijke straling we toelaten in onze omgeving. De reden hiervoor is bescherming van mens en milieu. Voor zichtbaar licht is die straling niet gereglementeerd, we moeten geen milieuvergunning aanvragen om een lamp te plaatsen. Voor lagere frequenties, dus tot 300 GHz, is een vergunning nodig als we meer dan 5W willen zenden. Die beperken de sterkte en directionaliteit van onze zenders enorm. Het gevolg is dat de elektromagnetische velden die we vandaag gebruiken voor draadloze communicatie (e.g., 4G, 5G) heel zwak zijn.

Binnen de huidige stralingsnormen zal het nooit mogelijk zijn om een telefoon snel genoeg op te laden. Heel dicht bij een antenne van een groot basisstation, op het dichtst mogelijke punt waar mensen toegelaten zijn, zou een antenne van 5m2 nodig zijn. Op een willekeurige locatie in België zou een antenne met de grootte van een voetbalveld nog niet volstaan.

Is draadloze elektriciteit op grote afstand dan zinloos? Toch niet. Het vermogenverbruik van onze elektronica blijft afnemen. Met het Internet of Things gaan we ook steeds vaker kleine elektronische circuits integreren in alledaagse objecten. Denk maar aan kleine stickertjes die je bevestigt op de schoenen van je kinderen, zodat je niet meer elke ochtend voor school je hele huis moet afzoeken naar hun schoenen. Het verbruik van deze stickertjes en sensoren is grootte-orde microWatt of minder, deze sensoren kan je draadloos opladen. Het is ook veel groener, want batterijen bevatten vaak gevaarlijke materialen.

Daarnaast is men op zoek naar manieren om sterkere zenders te maken, met garanties voor veiligheid. In de Verenigde Staten en China bestaan nu al slimme en directionele oplossingen die draadloos je telefoon opladen, enkel als er geen persoon in de buurt is. Het systeem is zo efficiënter en veiliger. In Europa zijn dergelijke oplossingen niet toegelaten. Maar wie weet, in de toekomst, als we voldoende zeker zijn dat alles veilig is, kan het hier wel.

Ten slotte kunnen we ons ook wel inbeelden dat we in de toekomst spoelen inbouwen in onze muren, i.p.v. stopcontacten. Dan kunnen wee onze TV zo aan de muur hangen, zonder storende kabels. Het is natuurlijk duurder dan stopcontacten, omdat we veel materiaal nodig hebben om spoelen te maken, en ook iets minder groen en efficiënt. Dat zijn afwegingen die we moeten maken. Draadloze elektriciteit kan dus, maar ik denk niet dat we snel stopcontacten hierdoor gaan vervangen.

Professor Sofie Pollin is telecomingenieur. Ze expert in draadloze communicatie aan de KU Leuven.