Hocheffizientes fernfeld‑mmWave‑basiertes kabelloses Energiesystem mit Cu/Co‑Metaleiter

Strom durch die Luft

Stellen Sie sich vor, Sie laden Ihr Telefon, Ihre Drohne oder sogar einen Satelliten, ohne je ein Kabel anzuschließen. Kabellose Energieübertragung verspricht genau das: Energie durch die Luft statt über Kupferkabel zu schicken. Heutige Fern‑Energieverbindungen sind jedoch sperrig und verschwenden auf dem Weg den Großteil der Energie. Diese Arbeit untersucht eine neue Art ultra‑dünner Metallleitungen, die fernfeld‑basierte kabellose Energieübertragung deutlich effizienter machen und so künftig Power‑Beaming‑Hardware für tragbare Geräte und Raumfahrtsysteme stark verkleinern könnten.

Warum Fern‑Energieübertragung schwierig ist

Die meisten handelsüblichen kabellosen Ladegeräte arbeiten heute mit kurzreichweitiger magnetischer Kopplung: zwei Spulen müssen fast übereinander liegen. Bei größeren Distanzen verwenden Ingenieure stattdessen Antennen, die Energie als Radiowellen abstrahlen, die dann von einer Empfangsantenne und einem Gleichrichter wieder in Gleichstrom zurückgewonnen werden. Dieser „Fernfeld“‑Ansatz kann Meter bis Kilometer überbrücken, aber aktuelle Systeme wandeln nur wenige Prozent der gesendeten Leistung in nutzbare Elektrizität um. Ein Problem ist, dass bei den relativ niedrigen Funkfrequenzen, die oft verwendet werden, die Antennen physisch groß werden. Ein weiterer, subtilerer Effekt tritt bei viel höheren „Millimeterwellen“‑Frequenzen auf, bei denen kleine, scharf fokussierte Strahlen möglich sind: Hier geht Energie in den Metall‑Zuleitungen und Antennenstrukturen selbst verloren.

Eine neue Metallart für Hochfrequenz‑Leistung

Diese inneren Verluste stammen vom „Skin‑Effekt“: Bei hohen Frequenzen drängt der Strom in eine sehr dünne Schicht an der Oberfläche eines gewöhnlichen Leiters wie Kupfer, wodurch der Widerstand stark ansteigt. Um dem zu begegnen, bauen die Autoren auf der Idee eines „Metaleiters“ auf, eines gezielt aufgebauten Stapels ultra‑dünner magnetischer und nichtmagnetischer Metallschichten. In ihrem Design werden viele sich wiederholende Schichten aus Kupfer und Kobalt – jeweils nur einige zehn bis mehrere hundert Nanometer dick – auf ein verlustarmes Glassubstrat aufgebracht. Das magnetische Verhalten des Kobalts und die nichtmagnetische Kupferschicht werden so abgestimmt, dass sich Wirbelströme gegenseitig aufheben. Effektiv kann der Strom durch die gesamte Dicke des Stacks fließen, statt in die äußere Hautschicht gedrängt zu werden, was den Widerstand bei Millimeterwellen‑Frequenzen verringert.

Aufbau eines vollständigen kabellosen Energiesystems

Die Forschenden prüften das Konzept in einem vollständigen kabellosen Energietransfersystem, das bei 28 Gigahertz arbeitet, einem Frequenzband, das dem für 5G untersuchten ähnlich ist. Sie entwarfen kompakte 4×4 Patch‑Array‑Antennen für Sender und Empfänger sowie die Metall‑Zuleitungsnetze, die die Leistung zu jedem Patch verteilen. Eine Gleichrichterschaltung auf Basis einer schnellen Schottky‑Diode wandelt das empfangene Funksignal in Gleichstrom um. Entscheidend ist, dass all diese wichtigen Pfade – Sendeantenne, Empfangsantenne und Gleichrichter‑Verbindungen – mit dem Kupfer‑Kobalt‑Metaleiter gefertigt wurden. Zum Vergleich bauten sie ein Zwillingssystem, bei dem alle Metallteile aus gewöhnlichem Massivkupfer mit derselben Gesamtdicke bestanden.

Messung des Leistungsgewinns in realen Bedingungen

In Labortests maßen die Forschenden, wie effizient Energie von der Sende‑ zur Empfangsantenne gelangte und wie gut der Gleichrichter dieses Signal in Gleichstrom umwandelte. Über Distanzen von 10 bis 30 Zentimetern lieferte die Metaleiter‑Variante durchgängig stärkere Empfangssignale als die Kupfer‑Variante. Bei 20 Zentimetern stieg die gesamte „End‑to‑End“‑Effizienz – ausgehend von Gleichstrom, über die Luftstrahlung bis zurück zu Gleichstrom – von etwa 0,42 Prozent mit Massivkupfer auf 7,5 Prozent mit dem Kupfer‑Kobalt‑Stack, eine Verbesserung um den Faktor 17,85. Auch der Gleichrichter profitierte: Seine RF‑zu‑DC‑Effizienz stieg bei der Auslegungsleistung von rund 64 auf 71 Prozent. Weil die Metaleiter‑Verdrahtung weniger Leistung verschwendet, können die Antennen kleiner bei gleichzeitig hohem Gewinn ausgelegt werden, wodurch Fläche und Gewicht im Vergleich zu einem Kupfer‑Design mit ähnlicher Leistung um etwa 81 Prozent reduziert werden.

Was das für künftige Geräte bedeuten könnte

Für Nicht‑Fachleute ist die Quintessenz einfach: Durch Neugestaltung des Metalls im Nanomaßstab haben die Autorinnen und Autoren einen Weg gefunden, hochfrequente Ströme gleichmäßiger fließen zu lassen und weniger Energie als Wärme zu verlieren. Wenn diese verbesserte Verdrahtung in ein vollständiges kabelloses Energiesystem integriert wird, erreicht deutlich mehr der gesendeten Energie den Empfänger, selbst über Dutzende Zentimeter, und die Hardware kann viel leichter und kompakter sein. Obwohl dies noch ein Laborprototyp ist, weisen Kupfer‑Kobalt‑Metaleiter den Weg zu praktikablen Fernfeld‑Energieverbindungen, die eines Tages tragbare Elektronik, Sensornetzwerke oder sogar Raumfahrthardware ohne schwere Kabel oder überdimensionierte Antennen aufladen könnten.

Zitation: Lee, W., Jang, H. & Yoon, YK. High efficiency far-field mmWave-based wireless power transfer system using Cu/Co metaconductor. Sci Rep 16, 12340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42136-4

Schlüsselwörter: kabellose Energieübertragung, Millimeterwellen, Metaleiter, Kupfer‑Kobalt‑Mehrschicht, Rectenna