Strom drahtlos übertragen - etwa fürs Internet der Dinge (IoT)

(20.6.2022) Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) haben unter Leitung von Associate Professor Atsushi Shirane auf Basis einer drahtlosen Milli­me­ter­wellen-Stromübertragung ein Gerät zur gleichzeitigen Übertragung von elektrischer Energie und 5G-Signalen entwickelt und auf dem 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits vorgestellt. Der Transceiver für das 5G-Netzsignal wird vollständig drahtlos mit Strom versorgt, und die Forscher versprechen zugleich eine hohe Stromumwandlungseffizienz bei „großen Entfernungen und Winkeln“.

Prototyp eines Phased-Array-Transceivers mit 64 Elementen für das Millimeterwellenband und integrierte Schaltung (Bild © Tokyo Tech) 

Seit Nikola Tesla zum ersten Mal die Idee der drahtlosen Energieübertragung formuliert hat, gab es zahlreiche Bemühungen, dieses Konzept für verschiedene Anwendungen zu nutzen. Eine neue Möglichkeit bieten lokale 5G-Netze mit drahtlos betriebenen Geräten. Die Herstellung solcher Geräte stand bisher vor denselben Hürden wie viele andere drahtlos betriebene Geräte: kurze Übertragungsdistanzen und eine feste Richtung, aus der Strom empfangen werden kann.

Dr. Shirane erklärte bei der Vorstellung: „Das drahtlose Millimeterwellen-Stromüber­tra­gungs­system ist eine vielversprechende Lösung für ein ,massive Internet of Things‘, wurde aber durch technische Probleme behindert. Wir konnten daher einen Durchbruch erzielen, indem wir einen 5G-Sender-Empfänger mit hoher Effizienz bei großen Winkeln und Entfernungen hergestellt haben.“ („Massive IoT“ zeichnet sich durch eine sehr große Anzahl von Verbindungen, kleine Datenmengen, kostengünstige Geräte und strenge Anforderungen an den Energieverbrauch aus. Beispiele sind smarte Zähler, Verkehrslogistik, Flottenmanagement, industrielle Überwachung und Landwirtschaft.)

Der am Tokyo Tech entwickelte Sender-Empfänger soll der erste seiner Art sein. Das Gerät verfügt über zwei Modi: einen Empfangs- und einen Sendemodus:

• Im Empfangsmodus empfängt das Gerät ein 5G-Signal und ein Millimeterwellen-Leistungssignal. Dieses Stromsignal aktiviert das Gerät und versorgt es mit Strom.
• Anschließend wechselt das Gerät in den Sendemodus und sendet ein 5G-Signal in dieselbe Richtung zurück, aus der es ursprünglich empfangen wurde.

Auf diese Weise kann ein solches Gerät problemlos kommunizieren und Teil des Internets der Dinge sein, ohne eine separate Steckdose zu benötigen, wie es bei den meisten aktuellen Geräten des Internets der Dinge in Innenräumen der Fall ist.

Mit kleineren Geräten - wie dem vorgestellten -, die nur sehr wenig Wartung und zusätzliche Infrastruktur erfordern, sollte das Internet der Dinge leicht erweitert und vernetzt werden können. Dr. Shirane ist sich sicher: „Dies war der weltweit erste gleichzeitige Empfang von Energie- und Kommunikationssignalen mit Strahlsteuerung. Wir glauben fest daran, dass eine Technologie wie diese das Internet der Dinge revolutionieren und es von den Fesseln befreien kann, die es heute bindet.“

Die Stromerzeugung in dem japanischen Gerät ist vergleichbar mit der RFID-Technik, mit der Produkte elektronisch gekennzeichnet werden: Die Chips enthalten eine Spule, die ein elektrisches Wechselfeld aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, mit der das interne Funkgerät aktiviert wird, so dass es die gespeicherten Daten übermitteln kann. Bei RFID funktioniert das nur bei kurzen Entfernungen zwischen RFID-Chip und Lesegerät. Dr. Shiranes Team ist es  im Vergleich dazu wohl gelungen, die Entfernung entscheidend zu vergrößern, ohne allzu viel an energetischen Verlusten zu produzieren.