Draadloze energieoverdracht: hoe stroom zonder kabel zijn weg vindt
Leg een smartphone op een rond plastic schijfje en het toestel begint vanzelf op te laden, zonder dat er een stekker in zit. Dat is draadloze energieoverdracht in zijn eenvoudigste vorm: elektrische energie die van het ene apparaat naar het andere springt via een elektromagnetisch veld, in plaats van via een draad. Het schijfje en de telefoon raken elkaar aan, maar er loopt geen stroom door een fysieke verbinding.
Die truc met het laadschijfje is nog maar het topje van de ijsberg. Onderzoekers en bedrijven werken aan systemen die auto's opladen terwijl ze over de snelweg rijden, sensoren in moeilijk bereikbare plekken van stroom voorzien, en zelfs aan satellieten die zonne-energie in de ruimte opvangen en naar de aarde sturen. Al deze toepassingen vallen onder dezelfde noemer: energie die door de lucht reist, van een paar millimeter tot theoretisch duizenden kilometers.
Wat is het precies?
De meest gebruikte vorm van draadloze energieoverdracht heet inductief laden. Als er stroom door een spoel (een opgerolde draad) loopt, ontstaat er een magnetisch veld om die spoel heen. Leg je een tweede spoel dicht bij de eerste, dan wekt dat magnetisch veld in de tweede spoel ook weer een stroom op. Dit heet elektromagnetische inductie, hetzelfde principe waarop een inductiekookplaat werkt. Het nadeel: de spoelen moeten heel dicht bij elkaar liggen, meestal een paar millimeter tot centimeters.
Voor iets grotere afstanden, tot zo'n tien tot dertig centimeter, gebruikt men resonante koppeling. Daarbij worden beide spoelen zo afgesteld dat ze op precies dezelfde frequentie 'trillen' (resoneren), vergelijkbaar met een stemvork die begint mee te trillen als je er een andere, gelijkgestemde stemvork bij houdt. Door die afstemming kan energie efficiënter over grotere afstand overspringen dan bij gewone inductie.
Voor nog grotere afstanden bestaat radiofrequente (RF) of microgolf-overdracht. Hierbij wordt elektriciteit omgezet in radiogolven of microgolven, die door de lucht (of het luchtledige van de ruimte) reizen en aan de ontvangstkant weer worden omgezet in stroom via een zogeheten rectenna, een antenne die golven direct in elektriciteit omzet. Dit werkt over veel grotere afstanden, maar is minder efficiënt: een groot deel van de energie gaat onderweg verloren, vooral als de golven alle kanten op stralen in plaats van gebundeld te worden. Een derde, nog experimentele methode is laserstraling: een sterk gebundelde lichtbundel die op afstand een zonnecel raakt en zo energie overdraagt. Dit kan verder reiken, maar vereist precisie en brengt veiligheidsvragen met zich mee omdat een krachtige laserbundel schadelijk kan zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe belofte is gemak: geen stekkers, geen kabels die verslijten of loskomen, geen aansluitpunten die corroderen in vochtige of stoffige omgevingen. Voor apparaten die voortdurend bewegen of draaien, zoals tandenborstels, scheerapparaten of medische implantaten in het lichaam, is een fysieke stekker soms onpraktisch of zelfs onmogelijk.
Een tweede, ambitieuzere doelstelling is het opladen van elektrische voertuigen terwijl ze rijden of stilstaan, zonder kabel. Dat zou het laadprobleem van elektrische auto's kunnen verlichten: minder wachten bij een laadpaal, kleinere accu's nodig omdat je onderweg bijlaadt, en minder sleet op stekkerverbindingen bij intensief gebruikte voertuigen zoals bussen en taxi's.
De verst reikende ambitie is energieoverdracht uit de ruimte. Zonnepanelen in de ruimte vangen daar continu zonlicht op, zonder wolken, nacht of atmosfeer die het licht verzwakken. Als je die energie via microgolven naar de aarde kunt sturen, zou je in theorie een constante, schone energiebron hebben die niet afhankelijk is van het weer. Dit is nog grotendeels toekomstmuziek, maar het onderliggende principe wordt al getest.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is de Qi-standaard (spreek uit als 'tsjie'), ontwikkeld door het Wireless Power Consortium sinds 2008. Vrijwel elke moderne smartphone kan hiermee draadloos worden opgeladen op een laadmatje. Meubelgigant IKEA bouwde in 2015 al Qi-laadpunten in meubels in.
WiTricity, een bedrijf voortgekomen uit onderzoek van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2007, ontwikkelt resonante technologie voor het draadloos laden van elektrische auto's. Hun technologie is mede de basis geweest voor de internationale autostandaard SAE J2954, waarmee auto's op termijn zonder kabel kunnen worden opgeladen door simpelweg boven een laadplaat te parkeren.
Het Israëlische bedrijf ElectReon test 'dynamisch' draadloos laden: spoelen die in het wegdek zelf zijn ingebouwd en voertuigen opladen terwijl ze eroverheen rijden. Op het Zweedse eiland Gotland liep vanaf 2020 het project Smartroad Gotland, en in Tel Aviv (Israël) reed vanaf 2021 een buslijn op een proefstrook met ingebouwde laadspoelen. In de Amerikaanse staat Michigan, in de stad Detroit, werd in 2023 een vergelijkbare proefweg geopend.
Op het gebied van energie uit de ruimte lanceerde het California Institute of Technology (Caltech) in januari 2023 de Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1), een satelliet die voor het eerst met succes zonne-energie in de ruimte omzette in microgolven en die gericht naar een ontvanger op aarde stuurde. Het ging om een kleine hoeveelheid energie, maar het bewees dat het principe werkt.
Ook in de medische wereld wordt de techniek al toegepast: sommige cochleaire implantaten (gehoorimplantaten) en experimentele hartpacemakers gebruiken inductieve of resonante overdracht om batterijen op te laden zonder operatie, waardoor patiënten niet telkens onder het mes hoeven voor een batterijwissel.
Hoe ver is de techniek?
Het korteafstands-inductief laden van consumentenelektronica is volwassen technologie: miljarden telefoons en oordopjes worden er dagelijks mee opgeladen. Hier is het probleem niet langer de techniek, maar vooral het beperkte bereik: het toestel moet vrijwel op het laadstation liggen.
Resonante overdracht voor auto's staat verder in de standaardisatiefase dan in grootschalige uitrol. De SAE J2954-standaard is uitgewerkt voor vermogens tot ongeveer 11 kilowatt, en enkele automerken testen of bieden het als optie aan, maar het is nog geen gangbare praktijk zoals een gewone laadpaal.
Dynamisch wegladen zit nog volledig in de proeffase. De aangelegde proefstroken zijn hooguit enkele kilometers lang, en de kosten per kilometer weg liggen aanzienlijk hoger dan bij een gewone laadpaal, mede doordat de spoelen in het asfalt moeten worden ingebouwd en onderhouden.
Energieoverdracht vanuit de ruimte staat nog in een vroeg, experimenteel stadium. De belangrijkste obstakels zijn de grote afstanden (energieverlies neemt sterk toe naarmate de afstand groeit), de enorme antennes die nodig zijn om voldoende energie te bundelen en te ontvangen, de kosten van satellietlanceringen, en veiligheidsvragen rond het richten van geconcentreerde microgolfbundels op de aarde. Deskundigen schatten dat commerciële toepassing, als die er al komt, nog decennia op zich laat wachten.
Een terugkerend obstakel bij alle vormen is efficiëntie: hoe groter de afstand tussen zender en ontvanger, hoe meer energie er onderweg verloren gaat als warmte of verstrooide straling. Ook blootstelling aan elektromagnetische velden is aan veiligheidsnormen gebonden, wat het maximale vermogen en bereik van veel systemen beperkt.
Wie werken eraan?
Op het gebied van consumentenelektronica zijn het Wireless Power Consortium (beheerder van de Qi-standaard) en de AirFuel Alliance (ontstaan uit een fusie van twee eerdere brancheorganisaties in 2015) de belangrijkste standaardisatie-instanties, met leden als grote elektronicafabrikanten.
Voor autotoepassingen is WiTricity (Verenigde Staten) een centrale speler, samen met de Amerikaanse ingenieursorganisatie SAE International, die de J2954-norm beheert. Het Israëlische ElectReon is toonaangevend in dynamisch wegladen, met proefprojecten in Zweden, Israël en de Verenigde Staten.
Op het gebied van ruimte-zonne-energie loopt onderzoek bij Caltech (Verenigde Staten, met het Space Solar Power Project), het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA, dat al sinds de jaren tachtig experimenteert met microgolfoverdracht, en de Chinese ruimtevaartorganisatie CAST, die eigen plannen heeft aangekondigd. Het Europese ruimtevaartagentschap ESA lanceerde in 2022 het verkennende initiatief SOLARIS om de haalbaarheid van ruimte-zonne-energie voor Europa te onderzoeken.
Voor draadloze stroomvoorziening van sensoren en kleine apparaten op afstand (via radiogolven) zijn Amerikaanse bedrijven als Ossia, Energous en Powercast actief, gericht op toepassingen in de Internet of Things (IoT), zoals slimme sensoren die geen batterijwissel nodig hebben.