TUM-Forscher entwickeln induktive Ladelösung mit Supraleitern

Einem Team der TU München ist es gelungen, eine Spule aus supraleitenden Drähten herzustellen, die Leistungen von mehr als fünf Kilowatt kontaktlos und ohne große Verluste übertragen kann. Zu den möglichen Anwendungen gehören auch Fahrzeuge oder sogar Flugzeuge. Für einen Praxiseinsatz muss aber noch ein Problem gelöst werden – die Kühlung.

Induktive Ladesysteme für Fahrzeuge sind im Grunde genommen nicht neu, in der Breite durchgesetzt haben sie sich noch nicht – auch weil bisher ein Standard gefehlt hat. Neben diesem Problem und den Ladeverlusten bei der kontaktlosen Strom-Übertragung haben die Forschenden der TUM als weiteren Nachteil ausgemacht, dass die derzeit verfügbaren Übertragungssysteme bei hohen Leistungen ab dem Kilowatt-Bereich bislang „groß und schwer“ seien, da sie auf Kupferspulen basieren.

Dem Team um die Physiker Christoph Utschick und Rudolf Gross ist es nun im Rahmen einer Forschungskooperation mit den Unternehmen Würth Elektronik eiSos und Theva Dünnschichttechnik gelungen, eine entsprechende Lösung auf Basis von supraleitenden Drähten zu entwickeln. Diese Lösung soll unter anderem leichter sein und wie erwähnt die fünf kW „ohne große Verluste“ übertragen können – genau beziffert wird der Wirkungsgrad in der Mittelung nicht.

Um zu einem funktionsfähigen Prototypen zu kommen, mussten die Forschenden und ihre Industriepartner einige Probleme lösen. Eines davon: 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.

Gelöst wurde dies durch speziell entwickelte Abstandshalter, welche die einzelnen Windungen der Spule voneinander trennen. „Durch diesen Trick werden die Wechselstromverluste in der Spule signifikant reduziert“, sagt Christoph Utschick. „Damit sind Übertragungsleistungen bis in den Kilowatt-Bereich erreichbar.“ Die Abstandshalter führten aber zu einem neuen Zielkonflikt: Machten sie den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule klein, wurde die Spule zwar sehr kompakt, die Forscher riskierten aber einen Zusammenbruch der Supraleitung im Betrieb. Größere Abstände dagegen führen zu einer geringeren Leistungsdichte.

„Den Abstand zwischen den einzelnen Windungen haben wir mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert“, sagt Utschick. „Er entspricht in etwa der halben Breite des Bandleiters.“ Die Forscher wollen nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

Kühl-Lösung muss noch entwickelt werden

Auf dem Weg zu einem möglichen Praxiseinsatz der supraleitenden Induktions-Ladespule muss aber noch ein anderes Problem gelöst werden: die Kühlung. Die Supraleiter müssen dauerhaft mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, damit sie ihre Leitfähigkeit erhalten. Die Kühlgefäße dürfen aber nicht aus Metall sein, da sie sonst im Magnetfeld der Spulen erwärmt werden – derartige Kühlsysteme sind laut Rudolf Gross noch nicht kommerziell erhältlich. „Dies erfordert noch umfassende Entwicklungsanstrengungen“, sagt der Professor für technische Physik an der TU München. „Die Arbeit stellt jedoch einen großen Fortschritt für die kontaktlose Energieübertragung großer Leistungen dar.“

Utschick sieht als möglichen Einsatzbereich für die Entwicklung beispielsweise Industrieroboter, autonome Transportfahrzeuge oder medizinische Hightech-Geräte. Neben dem Einsatz im Straßenverkehr soll auch das induktive Laden von elektrischen Rennfahrzeugen auf der Strecke oder von autonomen elektrischen Fluggeräten denkbar sein, so der TUM-Forscher.
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