Verander je huiskamer in een draadloos laadstation

"Of het nu gaat om mobieltjes, horloges of zelfs je muis en toetsenbord – het is voor consumenten altijd irritant dat ze afhankelijk zijn van snoertjes om hun batterijen te laden", zegt professor David Smith, leider van de afdeling Electrical and Computer Engineering op Duke. "En ze zijn natuurlijk altijd net leeg op het slechtst mogelijke moment. Het door ons voorgestelde systeem is in staat om automatisch en continu elk apparaat binnen de kamer op te laden, waardoor lege batterijen tot het verleden behoren."

Magnetisch veld

Er bestaan natuurlijk al een paar draadloze laadsystemen, maar daarbij moeten de te laden toestellen in de onmiddellijke nabijheid van het laadstation worden geplaatst. Dat komt doordat deze laders het resonante magnetische nabije veld gebruiken om energie over te dragen. Het magnetische veld, dat wordt geproduceerd door een stroom in een spoel, kan in de buurt van de spoel behoorlijk groot zijn en in een nabijgelegen spoel en vergelijkbare stroom induceren.

Magnetische velden hebben ook als voordeel dat ze over het algemeen worden beschouwd als veilig bij blootstelling aan de mens. Maar de magnetische nabije-veld benadering is geen optie voor vermogensoverdracht over grotere afstanden. Dat komt doordat de koppeling tussen bron en ontvanger, en daardoor het rendement van de vermogensoverdracht, snel afneemt met de onderlinge afstand.

Microgolf

Het power transfer systeem dat nu wordt voorgesteld, werkt bij veel hogere microgolffrequenties, waarbij de reikwijdte van de overdracht zich uitstrekt tot buiten de kamer. Om tot redelijke rendementsniveaus te komen,moet het systeem werken in de Fresnel zone – een gebied van het elektromagnetische spectrum waarin bundels kunnen worden gefocust. Dat maakt het mogelijk om te komen tot vermogensdichtheden die voldoende zijn om veel toestellen efficiënt te laden.  "Zo lang je binnen een bepaalde afstand blijft, kun je antennes maken die elektromagnetische energie verzamelen en focussen, zoals een lens een lichtbundel focust", aldus Smith.

Antennes

Het probleem is dat de antennes in een draadloos systeem in staat moeten zijn om te focussen op elk toestel binnen een ruimte. Dat zou bijvoorbeeld kunnen met een bewegende schotelantenne maar het zou te veel ruimte in beslag nemen en niemand wil een grote, draaiende schotel in zijn kamer.

Een andere oplossing in een ‘phased array’ – een antenne met een groot aantal gegroepeerde kleine antennetjes, die elk afzonderlijk kunnen worden ingesteld en afgestemd. Ook die technologie bestaat al, maar zou te kostbaar zijn en te veel energie gebruiken voor huishoudelijke toepassing.

Metamaterialen

De oplosing van Smith en zijn collega’s is gebaseerd op metamaterialen: synthetische materialen die bestaan uit talrijke individuele cellen die samen eigenschappen hebben die in de natuur niet voorkomen. "Stel je voor dat je een elektromagnetisch golffront hebt dat zich verplaatst door een vlak oppervlak dat is gemaakt van duizenden piepkleine elektrische cellen", zegt Smith. "Als je elke cel kan afregelen zodat hij de golf op een specifieke manier manipuleert, dan kun je exact dicteren hoe het veld er uit zit als het aan de andere kant van het oppervlak uittreedt."  

Niet vergezocht

Deze technologie is niet zo vergezocht als het lijkt, Smith gebruikte dit principe in zijn laboratorium om het eerste ‘camouflagesysteem ‘ ter wereld te bouwen, dat elektromagnetische golven om een voorwerp heen kan buigen. Jaren geleden leidde Nathan Kundtz, een voormalige student en postdoc  in Smith’s groep, een ISF-team dat de metamateriaaltechnologie ontwikkelde voor satellietcommunicatie. Het team richtte Kymeta op, een onderneming die krachtige vlakke antennes ontwikkelt ter vervanging van de gigantische draaiende satellietschotels die je vaak ziet op grote schepen. Drie andere bedrijven, Evolv, Echodyne en Pivotal gebruiken eveneens verschillende versies van de metamaterialen, respectievelijk voor imaging, radar en draadloze communicatie.

LCD

 "Wat zo ‘cool’ is aan onze benadering: de antennes kunnen worden gebouwd in de fabrieken waar LCD-televieis worden gemaakt", zegt Kundtz. Vloeibaar kristal (LC) is geïntegreerd in de metamaterialen die de herconfigureerbare antennes van Kymeta mogelijk maken. Kymeta produceert al een jaar zijn antennes in zo’n fabriek,

Smith en zijn collega’s hebben uitgerekend dat een toestel ter grootte van een flat-screen TV bundels microgolfenergie kan focussen tot een pleek ter grootte van een mobiele telefoon, binnen een afstand van 10 meter. Het zou ook in staat zijn om meer dan één apparaat tegelijkertijd te laden.

Game changer

"De mogelijkheid om gefocuste bundels veilig te richten om toestellen te laden, waarbij ongewenste blootstelling aan mensen, dieren en voorwerpen wordt voorkomen, is een game-changer voor draadloze vermogensoverdracht", vindt professor Matt Reynolds, die vanuit de University of Washington meewerkte aan het onderzoek. "Onze Fresnel-zone benadering profiteert van de alom gebruikte LCD technologie. En we zoeken nog naar alternatieven voor vloeibare kristallen, waarmee hogere vermogens over grotere afstanden kunnen worden overgebracht".  

Er zijn natuurlijk nog wel wat engineering-uitdagingen voor het bouwen van zo’n systeem. Er moet een krachtige, goedkope en efficiënte elektromagnetische energiebron worden ontwikkeld. Het systeem moet automatisch uitschakelen als een persoon of een dier binnen de elektromagnetische bundel komt.En de software en besturing voor de metamateriaal lens moet worden geoptimaliseerd om krachtige bundels te focusseren en ongewenste secundaire bundels te onderdrukken. Maar de technologie is er en de problemen zijn makkelijk op te lossen, denkt Smith..

Nathan Kundtz, oprichter en CEO van Kymeta, en David Smith, zijn voormalige hoogleraar, bij de Toyota ‘Connected Car’ met Kymeta’s metamaterial technologie waarmee zonder schotel verbinding kan worden gemaakt met satellieten. Dezelfde technologie wordt nu gepresenteerd als een methode voor draadloze vermogenstransmissie binnen de woning.

“An Analysis of Beamed Wireless Power Transfer in the Fresnel Zone Using a Dynamic, Metasurface Aperture.” David R. Smith, Vinay R. Gowda, Okan Yurduseven, Stéphane Larouche, Guy Lipworth, Yaroslav Urzhumov, and Matthew S. Reynolds. arXiv, 2016. ID: 1610.06799