Un team guidato da Christoph Utschick e dal Prof. Rudolf Gross, fisici presso l'Università Tecnica di Monaco di Baviera (TUM), ha sviluppato una bobina con fili superconduttori in grado di trasmettere potenza nell'intervallo di oltre cinque kilowatt senza contatto e con solo piccole perdite. L'ampio campo di applicazioni immaginabili include robot industriali autonomi, attrezzature mediche, veicoli e persino aerei.

La trasmissione di energia senza contatto si è già affermata come una tecnologia chiave quando si tratta di caricare piccoli dispositivi come telefoni cellulari e spazzolini elettrici. Gli utenti vorrebbero anche vedere la ricarica senza contatto resa disponibile per macchine elettriche più grandi come robot industriali, apparecchiature mediche e veicoli elettrici.

Tali dispositivi potrebbero essere posizionati su una stazione di ricarica ogni volta che non sono in uso. Ciò consentirebbe di sfruttare efficacemente anche brevi tempi di inattività per ricaricare le batterie. Però, i sistemi di trasmissione attualmente disponibili per la ricarica ad alte prestazioni nella gamma dei kilowatt e oltre sono grandi e pesanti, poiché sono basati su bobine di rame.

Lavorando in una partnership di ricerca con le società Würth Elektronik eiSos e lo specialista di rivestimenti superconduttori Theva Dünnschichttechnik, un team di fisici guidato da Christoph Utschick e Rudolf Gross è riuscito a creare una bobina con fili superconduttori in grado di trasmettere energia senza contatto dell'ordine di oltre cinque kilowatt (kW) e senza perdite significative.

Perdita di corrente alternata ridotta nei superconduttori

Ciò significava che i ricercatori hanno dovuto superare una sfida. Piccole perdite di corrente alternata si verificano anche nelle bobine di trasmissione superconduttrici. Queste perdite crescono all'aumentare delle prestazioni di trasmissione, con un impatto decisivo:la temperatura superficiale dei fili superconduttori aumenta e la superconduzione collassa.

I ricercatori hanno sviluppato uno speciale design della bobina in cui i singoli avvolgimenti della bobina sono separati l'uno dall'altro da distanziatori. "Questo trucco riduce significativamente la perdita di corrente alternata nella bobina, "dice Christoph Utschick. "Di conseguenza, la trasmissione di potenza fino alla gamma dei kilowatt è possibile."

Ottimizzazione con simulazioni analitiche e numeriche

Il team ha scelto un diametro della bobina per il prototipo che ha prodotto una densità di potenza maggiore di quella possibile nei sistemi disponibili in commercio. "L'idea di base con le bobine superconduttrici è quella di ottenere la resistenza alla corrente alternata più bassa possibile all'interno del più piccolo spazio di avvolgimento possibile e quindi di compensare il ridotto accoppiamento geometrico, "dice Utschick.

Ciò ha invitato i ricercatori a risolvere un conflitto fondamentale. Se riducessero la distanza tra gli avvolgimenti della bobina superconduttiva, la bobina sarebbe molto compatta, ma ci sarebbe il pericolo di un collasso della superconduzione durante il funzionamento. Separazioni più grandi, d'altro canto, porterebbero a una densità di potenza inferiore.

"Abbiamo ottimizzato la distanza tra i singoli avvolgimenti utilizzando simulazioni analitiche e numeriche, " dice Utschick. "La separazione è approssimativamente uguale alla metà della larghezza del conduttore del nastro." I ricercatori ora vogliono lavorare per aumentare ulteriormente la quantità di potenza trasmissibile.

Aree di applicazione entusiasmanti

Se ci riescono, si apriranno le porte ad un gran numero di ambiti applicativi molto interessanti, ad esempio usi nella robotica industriale, veicoli per il trasporto autonomo e apparecchiature mediche ad alta tecnologia. Utschick immagina persino veicoli da corsa elettrici che possono essere caricati dinamicamente mentre si è in pista, così come aerei elettrici autonomi.

L'applicabilità su larga scala del sistema incontra ancora un ostacolo, però. Le batterie richiedono un raffreddamento costante con azoto liquido, e i recipienti di raffreddamento utilizzati non possono essere di metallo. Le pareti dei recipienti metallici altrimenti si surriscaldano notevolmente nel campo magnetico, proprio come fa una pentola su un fornello a induzione.

"Non esiste ancora un criostato come questo disponibile in commercio. Ciò significherà una grande quantità di ulteriori sforzi di sviluppo, "dice Rudolf Gross, Professore di Fisica Tecnica presso l'Università Tecnica di Monaco e Direttore del Walther-Meissner-Institut dell'Accademia Bavarese delle Scienze e delle Lettere. "Ma i risultati fino ad ora rappresentano importanti progressi per la trasmissione di potenza senza contatto ad alti livelli di potenza".