Wann wird elektrischer Strom frei und drahtlos?
Frei: Nie.
Elektrischen Strom zu Erzeugen kostet Geld. Das wird sich auch in Zukunft nicht ändern. Warum also sollte die Leute die den Strom unter Kosten herstellen diesen an dich verschenken?
Drahtlos: Im Sinne von Tesla von jedem überall empfangbar? Ohne ein neues Genie: Nie. Und ich zweifle doch sehr, dass ein solches Genie jemals kommt.
Die bittere Wahrheit über Elektromagnetische Wellen: die breiten sich gleichmäßig in ALLE Richtungen aus. Das hat ein paar unangenehme Wirkungen zur Folge:
Lass uns mal annehmen, du stellst einen “Energiesender” in deiner Wohnung auf um dein Handy in der ganzen Wohnung drahtlos mit Energie zu versorgen.
So ein Handyakku hat typischerweise einen Energieinhalt von 5 Wh und hält sagen wir mal 10 Stunden durch. Das bedeutet einen Stromverbrauch deines Handys von ca. 0,5 W. Wenn du jetzt Zuhause dein Handy betreiben willst und gleichzeitig in 10 Stunden deinen Akku aufladen willst, dann muss dein Energiesender ca. 1 W an elektrischer Energie an dein Handy bekommen.
Es sollte wohl einleuchten, dass dein Handy nur eine begrenzte Fläche für den Empfang zur Verfügung hat, z.B. 70 mm x 140 mm = 9800 mm² oder 0,0098 m². Diese Fläche kann aber nur dann zu 100% genutzt werden, wenn die größte Fläche deines Handys direkt auf den Energiesender ausgerichtet ist, was wohl eher unwahrscheinlich ist. Rechnen wir mal großzügig mit 50%, dann hat dein Handy eine Empfangsfläche von ca. 0.0049 m².
Nichts auf dieser Welt ist perfekt - das gilt auch für die Energieempfänger deines Handys. Wir wollen mal ganz großzügig annehmen, dass diese 50% der Energie die auf die Empfängerantennen auftrifft auch aufnimmt und zum Betrieb und Laden des Akkus nutzen kann.
Jetzt stehst du ja nicht immer direkt neben dem Energiesender (dann könntest du ja gleich ein Kabel nehmen :-)) sondern bewegst dich durch die ganze Wohnung. Dass dabei schon mal eine Entfernung von 3 Metern Zustandekommen kann ist glaube ich nicht übertrieben.
Jetzt haben wir alle Daten beieinander um folgende Frage beantworten zu können:
Wieviel Energie muss ein Sender ausstrahlen um bei einem Empfänger im Abstand von 3 Metern mit einer Empfangsfläche von 0,0049 m² und einem Empfangswirkungsgrad von 50% eine Leistung von 1 W abliefern zu können.
Ich hab glaub ich schon erwähnt, dass ein Sender elektrischer Energie diese in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt. D.h. der Sender verteilt die Energie gleichmäßig auf einer Kugelschale rund um den Sender. Also brauchen wir die Oberfläche einer Kugelschale mit dem Radius 3 Meter.
Die Formel für die Oberfläche einer Kugel:
A=4π
r
2
. Wenn wir in diese Formel unsere 3 Meter einsetzen, dann kommen wir auf eine Oberfläche von 113,0973 m².
Wenn wir jetzt das Verhältnis von der Kugeloberfläche zu der Empfangsfläche deines Handys ausrechnen:
113,0973
m
2
0,0049
m
2
=23081,0889
, dann wissen wir, um wieviel mehr der Energiesender ausstrahlen muss.
Jetzt müssen wir nur noch den Faktor 23081.0089 mit den 1 W multiplizieren, die wir im Handy haben wollen du dann nochmal mit dem Faktor 2, weil wir ja einen Empfangswirkungsgrad von 50% angenommen haben und wir bekommen als Ergebnis:
46162,1778 W
Wow! Fast 50000 W! Einfach nur Wow.
Also so geht es schonmal nicht. Was ist, wenn wir die Entfernung verkürzen? Bei jeder Halbierung der Entfernung brauchen wir nur noch ein Viertel der Leistung:
1,5 m: 11540,5444 W
0,75 m: 2885,1316 W
37,5 cm: 721,2840 W
18,75 cm: 180,3210 W
9,375 cm: 45,0803 W
4,6875 cm: 11,2701 W
Seltsam, kaum sind wir bei halbwegs handhabbaren Leistungen angelangt, bewegen wir uns bei der Entfernung in einer Größenordnung wie es von aktuellen drahtlos Ladestationen unterstützt wird. Wirklich komisch.
Auf der anderen Seite, wenn wir jetzt in den Innenstädten alle 100 m einen Sendemast aufstellen würden, dann müsste jeder Sender schon ca. 12 MW an Leistung abstrahlen. Zur Abdeckung von 1 km² bräuchte es dann ca. 1,2 GW an Leistung oder ein großes Kernkraftwerk (wie war das mit Strom umsonst?). Dafür könnte so eine Lösung natürlich alle Handys im Empfangsbereich versorgen und nicht nur deines.
Eine andere Lösung wäre die abgestrahlte Leistung zu bündeln. Das kann man zwar machen, aber die Antenne wird dabei sehr sehr aufwändig. Das hat man über eine Entfernung von ein paar Kilometern im Mikrowellenbereich auch schon versuchsweise gemacht und klappt ganz gut - mit mehreren Quadratmeter großen Antennenfeldern, die dann exakt aufeinander ausgerichtet werden müssen.
Eine vergleichsweise einfachere Lösung wären Laser. Diese sind im benötigten Leistungsbereich (unter 10 W) als Halbleiterlaser einfach zu bekommen.
Jeder sollte sich aber die Nachteile einer solchen gerichteten Lösung selber denken können:
Sobald sich das Ziel bewegt, muss der Sender nachgeführt werden. D.h. der Sender muss ständig mit einer extrem hohen Genauigkeit wissen, wo sich dem Empfänger befindet um die Energie dorthin ausstrahlen zu können. Der Sender muss dann ebenfalls in der Lage sein, den Laser genau auszurichten. Das ist schon allein von der Mechanik her alles andere als einfach.
Jeder sollte eigentlich wissen, dass schon einfache Laserpointer mit mehr als 5 mW als so gefährlich für die Netzhaut gelten, dass sie nur noch mit Schutzbrille betrieben werden dürfen. Blöd das.
Egal welchen Frequenzbereich man auch immer raussucht, ein Laser mit 2 W ist immer gefährlich für jeden der zwischen dich und deinen Energiesender kommt. Das bist im Zweifelsfalle auch du selbst. Es gibt zwar eine US-Firma die an sowas arbeitet und behauptet das bis ca. 1 W im Griff zu haben (die schalten angeblich sofort ab wenn was in den Weg kommt) aber auch ein 1 W Infrarotlaser wie die ihn verwenden wäre mir im Fehlerfalle ein wenig zu gefährlich.
Also ich sehe für die absehbare Zukunft keine drahtlose Energieversorgung.