Metamaterial-Antenne absorbiert Mikrowellen-Energie nahezu komplett

  • 15. April 2015

Neues Konzept könnte den Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragung deutlich erhöhen.

Vom einfachen Dipol bis zur Teller-und Parabolantenne werden Mikrowellen meist zur Datenübertragung empfangen. Sehr viel effizienter als mit diesen klassischen Ansätzen könnte die elektromagnetische Strahlung mit Oberflächen aus Metamaterialien absorbiert werden. Forscher der University of Waterloo fertigten dazu einen Prototyp, der 93 Prozent der Strahlungsleistung absorbierte. Thamer Almoneef und Omar Ramahi bauten ihren Mikrowellen-Empfänger aus einem Areal mit 169 kleinen Kupferschleifen, die sie auf einem isolierenden Substrat symmetisch angeordneten. Diese Strukturen sind typisch für Metamaterialien, mit denen die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen beeinflusst werden kann. In Tarnkappen-Versuchen etwa manipulieren diese Metamaterialien elektromagnetische Wellen derart, als ob sie sich störungsfrei ausbreiten obwohl sich ein getarntes Objekt in ihrem Strahlungsfeld befindet.

Solchen flachen Antennen aus Metamaterial können Mikrowellen fast vollständig absorbieren. (Bild: O. Ramahi, U. Waterloo)

Abb.: Solchen flachen Antennen aus Metamaterial können Mikrowellen fast vollständig absorbieren. (Bild: O. Ramahi, U. Waterloo)

Größe und Anordnung der Kupferschleifen passten die Kanadier an eine Frequenz von drei Gigahertz an. Parallel durchgeführte Computersimulationen sagten eine Absorptionsrate von 97 Prozent voraus. In ihrem Labor überprüften sie danach, wie effizient ihr Empfänger aus Metamaterial tatsächlich Mikrowellen einsammeln konnte. Über kurze Distanzen schickten sie Mikrowellen auf ihre Metamaterial-Antennen und ermittelten eine Absorptionsrate von sehr guten 93 Prozent.

Die Energie der elektromagnetischen Strahlung wurde dabei auf einen Schaltkreis mit elektrischem Widerstand übertragen, der als resistive Last wirkte. Mit dieser Anordnung simulierten die Forscher das Verhalten eines Gleichrichters, über den elektrischer Strom beispielsweise in Akkus gespeichert werden könnte.

Mit ihren Metamaterial-Antennen haben Ramahi und Almoneef nicht bessere Antennen für die Signalübertragung im Sinn. Vielmehr sehen sie einen Nutzen in der drahtlosen Übertragung von Energie. Der Hintergrund findet sich in noch visionären Zukunftsprojekten, mit denen riesige Solarsegel im Erdorbit Sonnenlicht sehr effizient in Strom umwandeln sollen, der danach mit Mikrowellen zur Erde geschickt wird.

Vor allem in Japan wird an dieser Technologie gearbeitet. So übertrugen Forscher der japanischen Raumfahrtagentur Jaxa kürzlich 1,8 Kilowatt Strom mit Mikrowellen sechzig Meter durch die Luft. Das Unternehmen Mitsubishi soll mit einer ähnlichen Technik zuvor sogar 10 Kilowatt fast fünfhundert Meter weit transferiert haben. Mit diesen Versuchen werden die Grundlagen geschaffen, um die Idee in wenigen Jahrzehnten in die Praxis umsetzen zu können.

Allerdings sind die Übertragungsverluste mit klassischen Mikrowellen-Antennen noch zu groß, als das sich Solarkraftwerke im All rechnen könnten. Doch mit den nun entwickelten Metamaterial-Antennen ließe sich dieses Problem vielleicht lösen. In weiteren Versuchen könnten die Forscher demonstrieren, dass via Mikrowellen transportierte Energie tatsächlich zu nutzbarem Strom umgewandelt werden kann. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass nun andere Arbeitsgruppen, die an dieser Art der drahtlosen Stromübertragung arbeiten, ähnliche Empfänger aus Metamaterial entwickeln werden.

Ramahi und Almoneef konzentrieren sich derweil darauf, ihre Metamaterial-Antennen auch an andere Wellenlängenbereiche im Infrarotbereich oder für sichtbares Licht anzupassen. Nach ihrer Meinung könnten auch für diese Spektralbereich Absorptionsraten nahe 100 Prozent erreicht werden.

Jan Oliver Löfken

OD

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