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TUM entwickelt induktives Laden mit Supraleitern

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  • TUM entwickelt induktives Laden mit Supraleitern

    TUM entwickelt induktives Laden mit SupraleiternEinem Team der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, eine Spule aus supraleitenden Drähten herzustellen, die ohne Kontakt und mit großen Verlusten eine Leistung von mehr als fünf Kilowatt übertragen kann. Mögliche Anwendungen sind Fahrzeuge oder sogar Flugzeuge.

    Induktive Ladesysteme für Fahrzeuge sind grundsätzlich nicht neu, haben sich aber noch nicht allgemein durchgesetzt, auch weil bisher ein Standard fehlte. Neben diesem Problem und den Ladeverlusten bei der kontaktlosen Energieübertragung haben die TUM-Forscher einen weiteren Nachteil festgestellt: Die Tatsache, dass die derzeit verfügbaren Übertragungssysteme bei hohen Leistungspegeln ab dem Kilowattbereich, auf dem sie basieren, „groß und schwer“ sind Kupferspulen.

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

    Um zu einem funktionierenden Prototyp zu gelangen, mussten die Forscher und ihre Industriepartner mehrere Probleme lösen. Eine davon war, dass selbst in supraleitenden Übertragungsspulen geringe Wechselstromverluste auftreten. Sie nehmen mit zunehmender Sendeleistung zu und haben die fatale Folge, dass die Oberflächentemperatur der supraleitenden Drähte steigt und die Supraleitung zusammenbricht.

    Dies wurde durch speziell entwickelte Abstandshalter gelöst, die die einzelnen Windungen der Spule voneinander trennen. „Dieser Trick reduziert die Wechselstromverluste in der Spule erheblich“, sagt Christoph Utschick. "Dadurch sind Übertragungsleistungen bis in den Kilowattbereich erreichbar." Die Abstandshalter führten jedoch zu einem neuen Zielkonflikt: Wenn sie den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule klein machten, wurde die Spule sehr kompakt, aber die Forscher riskierten einen Zusammenbruch der Supraleitung während des Betriebs. Größere Entfernungen führen dagegen zu einer geringeren Leistungsdichte.

    „Wir haben den Abstand zwischen den einzelnen Wicklungen mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert“, sagt Utschick. "Der Abstand entspricht ungefähr der halben Breite des Bandleiters." Die Forscher wollen nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

    Auf dem Weg zu einer möglichen praktischen Anwendung der supraleitenden Induktionsladespule muss ein weiteres Problem gelöst werden: die Kühlung. Die Supraleiter müssen permanent mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, um ihre Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Die Kühlgefäße können jedoch nicht aus Metall bestehen. Andernfalls würden sie im Magnetfeld der Spulen erwärmt - solche Kühlsysteme sind laut Rudolf Gross noch nicht im Handel erhältlich. „Dies erfordert noch umfangreiche Entwicklungsanstrengungen“, sagt der Professor für Technische Physik an der TU München. "Die Arbeit stellt jedoch einen großen Fortschritt für die kontaktlose Energieübertragung großer Kräfte dar."

    Utschick sieht beispielsweise Industrieroboter, autonome Transportfahrzeuge oder medizinische High-Tech-Geräte als mögliche Anwendungsbereiche für die Entwicklung. Neben dem Einsatz im Straßenverkehr sei auch ein induktives Laden von elektrischen Rennfahrzeugen auf der Strecke oder autonomen Elektroflugzeugen denkbar, so der TUM-Forscher.

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