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Technische Universität München

Supraleitende Spulen zur kontaktlosen Energieübertragung

16. März 2021, 14:30 Uhr | Stefanie Eckardt

Der Technischen Universität München ist es gelungen, eine Spule aus supraleitenden Drähten herzustellen, die Leistungen von mehr als fünf Kilowatt kontaktlos und ohne große Verluste übertragen kann.

Der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, eine Spule aus supraleitenden Drähten herzustellen, die Leistungen von mehr als fünf KW kontaktlos und ohne große Verluste übertragen kann. Anwendungen beispielsweise in Elektrofahrzeugen sind damit denkbar.

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Bei kleinen Geräten wie Mobiltelefonen oder elektrischen Zahnbürsten hat sich die kontaktlose Energieübertragung bereits zur Schlüsseltechnologie für das Laden der Akkus entwickelt. Auch für große elektrische Maschinen wie Elektrofahrzeuge wünschen sich Anwender Möglichkeiten zur kontaktlosen Aufladung.

Man könnte sie immer dann auf einer Ladestation platzieren, wenn sie gerade nicht im Einsatz sind. Auch kurze Stillstandzeiten ließen sich so effektiv zum Nachladen der Akkus nutzen. Allerdings sind derzeit verfügbare Übertragungssysteme bei hohen Leistungen ab dem Kilowatt-Bereich bislang groß und schwer, denn sie basieren auf Kupferspulen.

Im Rahmen einer Forschungskooperation mit Würth Elektronik eiSos und Theva Dünnschichttechnik ist es nun der Technischen Universität München gelungen, eine Spule mit supraleitenden Drähten herzustellen, die Leistungen von mehr als 5 kW kontaktlos und ohne große Verluste übertragen kann. Dazu musste allerdings ein Problem überwunden werden: Auch in supraleitenden Übertragungsspulen gibt es geringe Wechselstromverluste. Sie steigen mit zunehmender Übertragungsleistung und haben eine fatale Folge: Die Oberflächentemperatur in den supraleitenden Drähten nimmt zu, und die Supraleitung bricht zusammen.

Daher entwarfen die Partner ein besonderes Spulendesign, bei dem die einzelnen Windungen der Spule durch Abstandshalter voneinander getrennt sind. Dadurch ließen sich die Wechselstromverluste in der Spule erheblich reduzieren. Den Spulendurchmesser ihres Prototypen wählte man dabei so, dass eine höhere Leistungsdichte als bei kommerziell erhältlichen Systemen erzielt wurde. Grundidee dabei: Auf möglichst kleinem Wickelraum einen möglichst niedrigen Wechselstromwiderstand erzielen und somit die reduzierte geometrische Kopplung kompensieren. Hier mussten die Forscher einen prinzipiellen Konflikt überwinden: Machten sie den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule klein, wurde die Spule zwar kompakt, es wurde aber ein Zusammenbruch der Supraleitung im Betrieb riskiert. Größere Abstände wiederum führen zu einer geringeren Leistungsdichte. »Den Abstand zwischen den einzelnen Windungen haben wir mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert«, erklärt Christoph Utschick von der TUM. »Er entspricht in etwa der halben Breite des Bandleiters.« Man will nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

Sollte das gelingen, sind diverse Einsatzgebiete denkbar, wie autonome Transportfahrzeuge oder auch elektrische Rennfahrzeuge, die dynamisch auf der Strecke geladen werden. Ein Problem für eine breitere Anwendbarkeit des Systems muss allerdings noch gelöst werden: Die Spulen müssen dauerhaft mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die verwendeten Kühlgefäße dürfen dabei nicht aus Metall sein. Ansonsten würden sich die Wände der Gefäße im Magnetfeld der Spulen wie bei einem Induktionsherd stark erwärmen.