Wie elektrisch zijn tanden poetst, gebruikt elektromagnetische inductie om contactloos de batterij in de borstel op te laden. Dit werkt echter alleen efficiënt over korte afstanden. Voor grotere afstanden is de hoop gevestigd op geluidsgolven. Dat dit werkt, toont ir. Maurice Roes aan met zijn onderzoek aan de TU Eindhoven, waarop hij 25 november promoveerde.
Hij bouwde een proefopstelling met twee transducers, qua functionaliteit gelijk aan een luidspreker als zender en een microfoon als ontvanger. De piëzoelektrische transducers bestaan uit een membraan van aluminium met daarop een piëzokeramiek. Bij de zender wordt een elektrische spanning omgezet in een vervorming van het membraan, dat op zijn beurt de lucht laat trillen. Aangekomen bij de ontvanger brengt de lucht het membraan aldaar aan het trillen. Het piëzokeramiek zet hier de trilling om in een meetbaar elektrisch signaal. Resultaat: elektrisch vermogen heeft door de lucht ‘gereisd’.
Rechtuit stralen
Bij het energietransport is de frequentie van het geluid van belang: hoe hoger de frequentie wordt, en dus hoe kleiner de golflengte, hoe meer een luidspreker rechtuit gaat stralen — dat is gewenst bij energietransport. Het nadeel is dat de absorptie in lucht ook toeneemt met de frequentie. Roes: ‘Er is dus een frequentie waarbij de akoestische energieoverdracht optimaal is.’
In de praktijk bleek het nog niet mee te vallen om op deze manier een bruikbaar vermogen over te dragen. De ultrasone geluidsgolf blijkt grotendeels terug te kaatsen bij de microfoon, door het grote verschil in dichtheid tussen lucht en membraan. ‘Daarom heb ik de akoestische impedantie aangepast door aan beide zijden hoorns te gebruiken, zoals bij een megafoon of een ouderwetse grammofoon’, aldus Roes.
Sensor voeden
Zo slaagde hij erin om een vermogen van 40 mW over een afstand van 1 cm te versturen, met een efficiëntie van zo’n 25%. Veel te weinig om een telefoon op te laden, dus daarvoor blijft inductie de meest geschikte methode. ‘Dit vermogen is net genoeg om een sensor en microprocessor te voeden, bijvoorbeeld in een smart home, een woning met allerlei high-tech snufjes’, zegt Roes. Het voordeel van geluid om energie mee te verzenden is dat het door metaal heen gaat, iets dat inductief zeer moeilijk is. De toepassing zit daarom in het opladen van sensoren in pijpleidingen of in vaten voor nucleair afval. ‘Ook is ons principe een kandidaat voor het van buitenaf opladen van de batterij van een pacemaker. Daarvoor moet de drager daarvan nu nog eens in de paar jaar geopereerd worden. Het ultrageluid gaat ook goed door weefsel heen.’
Met ons principe hopen we de batterij van een pacemaker van buitenaf te kunnen opladen.
Vermogen opvoeren
Er zijn nog allerlei trucs te verzinnen om het overgedragen vermogen op te voeren. Het geluid is bijvoorbeeld te focusseren met parabolische zenders. Roes: ‘Jammer genoeg had ik geen tijd meer om daarnaar te kijken.’
De promovendus was als een van de weinigen in de wereld met dit onderwerp bezig. Dat had als nadeel dat hij het wiel vaak zelf moest uitvinden. Het voordeel is wellicht dat hij nu gezien wordt als expert op het gebied van akoestiek voor energieoverdracht. ‘Ik krijg tegenwoordig van over de hele wereld mailtjes van mensen die hiermee aan de slag willen gaan en allerlei vragen hebben.’
Roes deed zijn promotie in de vakgroep Electromechanics & Power Electronics van prof.dr. Elena Lomonova, aan de TU Eindhoven. Lees meer details over zijn onderzoek in Cursor.
Foto en illustratie: Maurice Roes
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.