Forschung 26.02.2018, 07:43 Uhr

Smartphones kabellos laden per Laser

Wieso können wir kabellos surfen und telefonieren, benötigen aber ein Ladekabel, sobald der Akku leer ist? Forscher der Universität Washington haben sich diese Frage wohl auch gestellt und präsentieren nun einen Laser, der Smartphones in einer Entfernung von bis zu 12 Metern laden kann.

Dunkler Raum, in dem die Laserstrahlen vom Lasergerät zum Smartphone zus sehen sind

Der Laser lädt das Smartphone, ohne dass das menschliche Auge die Strahlen sehen würde. Zu Anschauungszwecken wurden hier rote Linien eingesetzt.

Foto: Mark Stone/University of Washington

Die meisten Smartphones werden über ein USB-Kabel aufgeladen. Nur einige High-end-Modelle, wie das Apple iPhone X, lassen sich mit einem Qi-Induktionsladegerät kabellos aufladen. Forscher der amerikanischen Universität in Washington haben nun eine weitere innovative Ladetechnologie für Smartphones entwickelt. Bei dieser kommen kein Kabel und auch kein Qi-Induktionsladegerät, sondern ein unsichtbarer Laserstrahl zum Einsatz. Die drahtlose Ladetechnik soll über mehrere Meter funktionieren und Smartphones mindestens so schnell wie ein klassisches USB-Kabel aufladen.

Smartphone-Akkus mit dem Laser aufladen

Im Dezember 2017 haben Ingenieure der Universität Washington ein Dokument veröffentlicht, das die innovative Lademethode beschreibt. Die Professoren Arka Majumdar und Shyam Gollakota verfolgen gemeinsam mit ihrem Forscherteam das Ziel, eine effiziente, praktikable und sichere Ladetechnik zu entwickeln. Das zu ladende Smartphone wird auf einer beliebigen Fläche abgelegt und muss sich nicht in direkter Nähe des Lasers befinden. Es wird vom Laser automatisch erkannt und ist durch Lichtschranken gesichert. Sie sollen verhindern, dass durch den Laserstrahl Verletzungen entstehen. Die Aufladung per Laser soll in der Praxis genauso schnell funktionieren wie eine Aufladung per USB-Kabel. Grundsätzlich ließe sich diese Technologie auch bei vielen anderen elektronischen Geräten, beispielsweise Tablets, Kameras und PCs verwenden.

Das Forscherteam hinter der Laserladetechnik besteht aus den fünf Wissenschaftlern (v.l.) Rajalakshmi Nandakumar (vorne), Vikram Iyer, Shyam Gollakota, Arka Majumdar sowie Elyas Bayati.

Das Forscherteam hinter der Laserladetechnik besteht aus den fünf Wissenschaftlern (v.l.) Rajalakshmi Nandakumar (vorne), Vikram Iyer, Shyam Gollakota, Arka Majumdar sowie Elyas Bayati.

Quelle: Mark Stone/University of Washington

So funktioniert die Ladetechnologie im Detail

Der verwendete Laser kann von der Station, die sich an einer Wand befindet, bis zum Endgerät eine Entfernung von rund vier Metern zurücklegen. Die maximale Reichweite des energiereichen Lasers beträgt zwölf Meter. Der Laser lokalisiert das Smartphone über die hochfrequenten Geräusche, die es aussendet, und die von Menschen nicht wahrgenommen werden können. Der Ladevorgang startet automatisch, wenn sich das Smartphone auf einer passenden Oberfläche befindet. Da es sich um einen fokussierten Laserstrahl handelt, kann er eine maximale Ladefläche von 25 Quadratzentimetern abdecken. Laut den Forschern lässt sich der Radius in Zukunft vergrößern und könnte dann einen ganzen Tisch abdecken. Das Smartphone könnte dann an einer beliebigen Stelle auf dem Tisch platziert und geladen werden.

Aktuell ist die zusätzliche Ladezelle, die an der Rückseite des Smartphones angebracht wird, noch acht mal 40 Millimeter groß. Die Forscher der Universität Washington sind sich sicher, dass die Größe der Ladezelle in Zukunft deutlich kleiner wird. Vorerst aber ist das Receiver-Feld auf der Rückseite des mobilen Endgerätes angebracht und von Reflektoren umgeben. Auf dem Empfänger befindet sich ein kleines Feld voller Photovoltaikzellen. Dieses Feld erzeugt die nötige elektrische Spannung für den Smartphone-Akku. Die Lichtfrequenz, die bei dieser innovativen Ladetechnologie zum Einsatz kommt, liegt in der Nähe des Infrarotspektrums. Die Solarzellen wandeln das Licht des Infrarotlaserstrahls, das sie vom Ermittler empfangen, direkt in elektrische Energie um. Der Akku des Smartphones wird dann – ähnlich wie bei einem angeschlossenen USB-Kabel – aufgeladen. Zusätzlich zu den Photovoltaikzellen wird ein thermoelektrischer Generator eingesetzt. Er soll die überschüssige Wärme, die während des Ladevorgangs entsteht, ableiten und sie ebenfalls für die Smartphone-Aufladung nutzen.

Wie sicher ist der Laser?

Die Sicherheit spielt beim Einsatz eines Lasers eine gravierende Rolle. Laut den Forschern der University of Washington ist die Laser-Ladetechnologie natürlich vollkommen unbedenklich. Im Test wurde das Smartphone mit einem schmalen Streifen aus Aluminium versehen, der die zusätzliche Hitze abfing. Dadurch soll das Smartphone in der Theorie über mehrere Stunden lang geladen werden können, ohne zu überhitzen. Durch einen fortschrittlichen Reflektormechanismus schaltet sich der Laserstrahl von alleine ab, sobald eine Person in die Nähe des Strahls kommt. Damit das in der Praxis zuverlässig funktioniert, kommen neben dem eigentlichen Infrarotstrahl noch vier weitere Laserstrahlen zum Einsatz. Die „guard beams“ sind für menschliche Augen unsichtbar und deutlich schwächer als der Hauptlaserstrahl. Sie umgeben den Hauptlaserstrahl und werden von weiteren Reflektoren des Receivers direkt zum Ermittler zurückgeworfen. Sollte einer dieser vier guard beams von einem Menschen oder einem Tier unterbrochen werden, schaltet sich der Ermittler sofort ab.

Ladekapazität und Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen Ladeverfahren

Aktuell liegt die übertragene Energie, die eine vier Meter lange Strecke zurücklegt, bei zwei Watt. Erhöhen lässt sich sowohl die Ladefläche als auch die Reichweite. Durch Weiterentwicklungen und Verbesserungen kann die übertragenen Energie in Zukunft steigen. Laut den Wissenschaftlern soll die Ladekapazität zukünftig selbst für Geräte mit einem größeren Akku ausreichen. Aktuell wird ein Smartphone durch den Laserstrahl genauso schnell aufgeladen wie über ein klassisches USB-Kabel. Damit besitzt die Lasertechnologie einen großen Vorteil gegenüber dem oft deutlich langsameren induktiven Laden. Im direkten Vergleich zum herkömmlichen Aufladen per USB-Kabel benötigen die modernen Qi-Ladegeräte immerhin um bis zu 50 Prozent länger. Über Nacht stellt das kein Problem dar, für spontane Ladungen über den Tag jedoch schon.

Ist das Aufladen per Laser die Zukunft?

Ob es die innovative Ladetechnologie der Forscher aus Washington zur Marktreife geschafft, das wird die Zukunft zeigen. Sollte die Markteinführung gelingen, würden die Nutzer von zwei Vorteilen gegenüber den herkömmlichen Ladetechniken profitieren. Zum einen wird für das Aufladen per Laser weder ein Kabel noch eine Ladeschale benötigt. Zum anderen kann sich das Smartphone an einen beliebigen Ort im Raum befinden. Allerdings bleibt eines zu befürchten: Die Kosten, die durch die zusätzlichen Geräte für die innovative Ladetechnologie entstehen, dürften den Preis eines klassischen USB-Kabels deutlich übersteigen.

 

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