Hoogrendement verafveld mmWave-gebaseerd draadloos energieoverdrachtsysteem met Cu/Co-metaconductor

Stroom Door de Lucht

Stel je voor dat je je telefoon, drone of zelfs een satelliet oplaadt zonder ooit een stekker te gebruiken. Draadloze energieoverdracht belooft precies dat: energie door de lucht sturen in plaats van over koperen kabels. Maar de huidige langeafstands draadloze energieverbindingen zijn omvangrijk en verspillen het grootste deel van de energie onderweg. Dit artikel onderzoekt een nieuw soort ultradunne metalen bedrading die verafveld draadloze energieoverdracht veel efficiënter maakt, en daarmee mogelijk toekomstige power‑beaming‑hardware voor draagbare apparaten en ruimtevaartsystemen kan verkleinen.

Waarom langeafstand draadloze stroom zo moeilijk is

De meeste commerciële draadloze opladers werken tegenwoordig met kortbereik magnetische koppeling: twee spoelen moeten vrijwel bovenop elkaar liggen. Op grotere afstanden gebruiken ingenieurs antennes die energie als radiogolven uitstralen en die vervolgens opnieuw opvangen met een ontvangstantenne en een gelijkrichter die de golven weer omzet in gelijkstroom. Deze “verafveld”-benadering kan meters of zelfs kilometers overbruggen, maar huidige systemen zetten slechts een paar procent van het uitgezonden vermogen om in bruikbare elektriciteit. Een probleem is dat bij de relatief lage radiofrequenties die vaak worden gebruikt de antennes fysiek groot worden. Een ander, subtieler probleem doet zich voor bij veel hogere “millimetergolf”-frequenties, waar kleine, scherp gerichte bundels mogelijk zijn: hier gaat energie verloren in de metalen voedingslijnen en antennestructuren zelf.

Een nieuw type metaal voor hoogfrequente stroom

Die interne verliezen ontstaan door het “skin‑effect”: bij hoge frequenties hoopt de elektrische stroom zich op in een zeer dunne laag aan het oppervlak van een gewone geleider zoals koper, waardoor de weerstand sterk toeneemt. Om dit aan te pakken bouwen de auteurs voort op het idee van een “metaconductor”, een zorgvuldig ontworpen stapel ultradunne magnetische en niet‑magnetische metalen lagen. In hun ontwerp worden vele herhalende lagen koper en kobalt—elk slechts tientallen tot honderden nanometers dik—opgebracht op een laag‑verlies glazen substraat. Het magnetische gedrag van kobalt en de niet‑magnetische koperen lagen worden zo afgestemd dat ronddraaiende wervelstromen elkaar deels opheffen. In feite kan de stroom door de gehele dikte van de stapel vloeien in plaats van te worden samengedrukt in de buitenste huidlaag, waardoor de weerstand bij millimetergolf‑frequenties afneemt.

Het bouwen van een complete draadloze energielink

De onderzoekers zetten dit concept op de proef in een volledig draadloos energieoverdrachtsysteem dat op 28 gigahertz werkt, een frequentieband vergelijkbaar met die voor 5G‑netwerken. Zij ontwierpen compacte 4×4 patch‑array antennes voor zowel zender als ontvanger, samen met de metalen voedernetwerken die het vermogen naar elke patch verdelen. Een gelijkcircuitschakeling gebaseerd op een snelle Schottky‑diode zet het opgevangen radiosignaal om in DC‑vermogen. Cruciaal was dat al deze belangrijkste paden—de zendantenne, ontvangstantenne en gelijkrichterverbindingen—geproduceerd werden met de koper–kobalt metaconductor. Voor vergelijking bouwden ze ook een tweeling‑systeem waarbij alle metalen onderdelen uit gewoon massief koper met dezelfde totale dikte bestonden.

Het meten van de winst in realistische prestaties

In laboratoriumtests meet het team hoe efficiënt energie van de zendantenne naar de ontvangstantenne reisde en hoe goed de gelijkrichter dat signaal in DC‑vermogen omzet. Over afstanden van 10 tot 30 centimeter leverde de metaconductor‑versie consequent sterker ontvangen signalen dan de koperversie. Op 20 centimeter steeg de algehele “end‑to‑end” efficiëntie—beginnend bij DC‑vermogen, uitstralend door de lucht en weer eindigend als DC—van ongeveer 0,42 procent met massief koper naar 7,5 procent met de koper–kobalt‑stapel, een verbetering van 17,85 keer. Ook de gelijkrichter profiteerde: de RF‑naar‑DC efficiëntie steeg alleen al van ruwweg 64 naar 71 procent bij het ontwerp‑vermogensniveau. Omdat de metaconductor‑bedrading minder vermogen verspilt, kunnen de antennes kleiner worden gemaakt terwijl hoge versterking behouden blijft, waardoor het oppervlak en gewicht met ongeveer 81 procent worden verminderd vergeleken met een koperen ontwerp met vergelijkbare prestatie.

Wat dit kan betekenen voor toekomstige apparaten

Voor niet‑experts is de conclusie simpel: door het metaal zelf op nanoschaal opnieuw te ontwerpen, hebben de auteurs een manier gevonden om hoogfrequente elektrische stromen soepeler te laten vloeien en minder energie te verspillen als warmte. Wanneer deze verbeterde bedrading in een compleet draadloos energiesysteem wordt ingebouwd, bereikt veel meer van de uitgezonden energie de ontvanger, zelfs over tientallen centimeters, en kan de hardware veel lichter en compacter zijn. Hoewel dit nog een laboratoriumprototype is, wijzen koper–kobalt metaconductors op praktische langeafstand draadloze energieverbindingen die op een dag draagbare elektronica, sensornetwerken of zelfs ruimtevaartuigapparatuur kunnen opladen zonder zware kabels of oversized antennes.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: draadloze energieoverdracht, millimetergolf, metaconductor, koper-kobaltlagen, rectenna