Drahtlose Energie-Übertragung im mittleren Bereich

Allerdings kommt es darauf in diesem Leistungsbereich auch nicht so sehr an. Vielmehr steht der praktische Nutzen im Vordergrund. Daneben gibt es aber auch einige Anwendungen, in denen schon mehr als ein oder einige wenige Watt übertragen werden. Hier gewinnt die Betrachtung des energetischen Wirkungsgrades an Bedeutung.

Im öffentlichen Raum: Kathodenlose Leuchtstofflampen

Bezeichnenderweise hat auch eine weitere Anwendungsform der drahtlosen Energie-Übertragung viel von sich reden gemacht, die sich aber in der Praxis, obwohl auf dem Markt verfügbar, kaum jemals auffinden lässt. Es handelt sich um kathodenlose Leuchtstofflampen, so genannte Induktionslampen. Sie bestehen aus einem ringförmig geschlossenen Glasrohr, das seinerseits an einer oder zwei Stellen von einem Ringkern umgeben ist (Bild 16). Dieser ist mit einer Drahtspule umwickelt, die so die Primärwicklung eines Ringkerntransformators bildet. Das Glasrohr stellt die Sekundärwicklung dar.

Das Prinzip

Bild 16: Prinzip einer Induktions-Leuchtstofflampe

Ein hochfrequenter Strom in der Spule induziert einen ebensolchen in dem Glasrohr. Der Rest entspricht der herkömmlichen Technik der Leuchtstofflampe – nur dass bei dieser Technik der Strom im Gas »von selbst«, also ohne Starthilfe über irgendwelche Kathoden, anfängt zu fließen. »Dass eine Leuchtstofflampe durch Induktion eines Stromes in der Röhre zum Leuchten gebracht werden kann, war lange bekannt«, hieß es richtigerweise in der Darstellung eines Herstellers. »Diese Tatsache lässt sich leicht nachweisen, indem man an einer Leuchtstofflampe mit einem Stück Nylongewebe oder Fell reibt. Das Reiben erzeugt statische Elektrizität auf der Oberfläche der Glasröhre, so dass sich kleine elektrische Felder innerhalb der Röhre ausbilden.« So weit war die Darstellung auch noch zutreffend.

Weiter las man dann aber: »Durch diese kleinen Felder werden geringfügige Ströme induziert, welche die Röhre zum Leuchten bringen, allerdings nur in dem Bereich, in dem gerieben wird.« Da ist es schon wieder passiert: Elektrische und magnetische Felder wurden verwechselt – und das in diesem Fall von den Fachleuten selbst. Die statische Entladung kann keine Ströme induzieren, sondern allenfalls »influenzieren«. So lautet der entsprechende Ausdruck für Spannungen und Ströme, die von elektrischen Feldern erzeugt werden. Die hier beschriebenen, durch statische Entladungen hervorgerufenen Leucht-Erscheinungen sind kein Beispiel für das Prinzip der Induktionslampe, die tatsächlich »magnetisch« und nicht im physikalischen Sinn des Wortes »elektrisch« funktioniert. Vielleicht deshalb wurde diese Hersteller-Information mittlerweile zurückgezogen. Man darf es aber auch darauf zurückführen, dass dieser große, renommierte Hersteller diese Technik nicht mehr anbietet.

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Wirkungsgrad

Der entscheidende Vorteil der induktiv gespeisten Leuchtstofflampen sollte in der extrem langen Lebensdauer der Lampen von rund 60.000 Betriebsstunden liegen, da eine nicht vorhandene Kathode auch nicht altern und verschleißen kann. Dies stellt an unzugänglichen Einsatzorten wie z. B. in hohen Hallen einen entscheidenden Vorteil dar. Zum Einen aber zogen die herkömmlichen Leuchtstofflampen dann nach und bieten heute zum Teil schon 45.000 Stunden Lebensdauer, doch auch der Wirkungsgrad der induktiven Übertragung über Hochfrequenzkerne ist hier wieder nicht der, den man von leitfähigen Verbindungen her gewohnt ist, und letztlich verdeckt der Kern unvermeidbar einen Teil des Lichts. Man wird diesen »Ringkern-Transformator« also möglichst klein bauen. Dies aber drückt wiederum seinen elektrischen Wirkungsgrad. Von etwa 75 lm/W ist die Rede, wo solche Lampen noch immer angeboten werden und ihre Abnehmer finden, während man von konventionellen Lampen heute schon 100 lm/W erwartet.

Nicht zur Nachahmung empfohlen

Zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips wird manchmal erwähnt, dass selbst eine defekte, aufgebrauchte Kompakt-Leuchtstofflampe in einen Mikrowellenofen wieder zum Leuchten gebracht werden kann. Dieser Versuch, so interessant und eindrucksvoll er sein mag, wird hier jedoch ausdrücklich nicht zur Nachahmung empfohlen, denn es gilt zu bedenken, dass eine Lampe mit einer Bemessungsleistung von beispielsweise 13 W einer Strahlungsleistung von etwa 800 W ausgesetzt wird. Wie die Lampe darauf reagiert, ist unklar. Während es sich bei den angenommenen Gefahren, die von 3 mg ausgetretenem Quecksilberdampf ausgehen, um ein reines Gerücht handelt, sind die Glassplitter einer geplatzten Lampe im Mikrowellenofen mit dem nachfolgenden Einsatz für Lebensmittel kaum kompatibel. Der Austritt weiterer Schadstoffe aus der Elektronik ist unkalkulierbar, da sich, je nach deren Leitfähigkeit und dem Wechselspiel aus reflektierten, absorbierten und das betreffende Medium ungehindert durchdringenden Strahlen örtlich sehr hohe Temperaturen einstellen können. Man bedenke, dass schon ein Teller mit Goldrand zum Funken sprühen neigen soll! So hoch kann die darin induzierte Spannung also offenbar werden. Einerseits stellt der Goldrand zwar eine Kurzschlusswindung dar; wo soll da der Spannungsfall herkommen, der die Elektronen sprichwörtlich »in die Luft gehen« lässt? Andererseits arbeiten Mikrowellenherde mit einer Frequenz von 2,45 GHz, und diese eine Windung großen Durchmessers hat bei dieser Frequenz schon eine beträchtliche Reaktanz; das erklärt diese Beobachtung (für die Augenzeugen aber noch gesucht werden).

Es darf bei der »Mikrowelle« aber nicht davon ausgegangen werden, dass auch hier der allergrößte Teil der Leistung am Ziel vorbei strahlt! Bei einer Frequenz von 2,45 GHz beträgt die Wellenlänge 122 mm. So weit sind die Wellenkämme voneinander entfernt. Es passen also mehrere Wellen gleichzeitig in den Garraum, und damit liegt in diesem Volumen schon eindeutig die kombinierte elektromagnetische Strahlung vor. Das Gehäuse des Gerätes besteht aus Metall. Metalle reflektieren elektromagnetische Wellen und lassen sie so nicht aus dem Garraum austreten. Dies gilt auch für Metallgitter, solange die Maschenweite des Gitters deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge ist. Durch das Lochblech hinter der Sichtscheibe dringen sie also nicht. Das Glas würden sie ungehindert durchdringen, wäre weiter nichts vorhanden.

Für diese Geräte werden Wirkungsgrade um 70% angegeben, d. h. etwa 70% der aufgenommenen Leistung gelangen tatsächlich als elektromagnetische Strahlung in das Gargut, von dem sie absorbiert, also so zu sagen »ausgebremst« und in Wärme umgewandelt wird. Schließlich ist ein Ofen definitionsgemäß zur Erzeugung von Wärme gedacht; entsprechend ist es wenig verwunderlich, dass hier fast die gleiche Technik einen deutlich höheren Wirkungsgrad erreicht als ein Akku-Ladegerät.

Frage am Rande: Wo bleibt denn die Leistung, wenn man das Mikrowellengerät leer in Betrieb setzt? – Genau davon rät der Hersteller ab! Die Strahlungsintensität im Garraum steigt erheblich an, und die Strahlung gelangt wieder zurück in das Magnetron, den Erzeuger der Hochfrequenz, der sich dann überhitzen und beschädigt werden kann.

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Gesundheit

Berichtet wird auch, vor Zeiten hätten Bewohner der unmittelbaren Umgebung starker Rundfunksender (100 kW) sich den Anschluss von Leuchten an das Stromnetz erspart, indem sie Leuchtstofflampen verwendeten. Die leuchteten auch so. »Ausgeschaltet« wurden sie durch eine Drehung um 90°, bis sie senkrecht zur Polarisation des Feldes ausgerichtet waren. – Ein Gerücht? Vielleicht. Wahrscheinlich. Augenzeugen werden auch hier noch gesucht.

Tatsache ist hingegen, dass heute schon beim reinen Anblick eines Mobilfunksenders (20 W) die gesamte Nachbarschaft krank wird. Schon bevor der Sender mit dem Stromnetz verbunden wird. Diese Fälle sind verbürgt.

Im Wohnbau: Induktionskochfelder

Noch einmal geht es »nur« um die Erzeugung von Wärme. Die elektrische Energie zur Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes einzusetzen, mittels dessen dann wieder elektrische Energie in einem Kochtopf erzeugt wird, die wiederum »ausgebremst« wird, um mit der Bremswärme zu kochen, stellt einen Umweg dar. Die Investition geht beträchtlich über den Herd hinaus, da man auch spezielle Töpfe benötigt: Je nach der eingesetzten Frequenz müssen der »Bremsbelag« und die »Bremskraft« geeignet ausgewählt werden, so dass die Bremse wirkungsvoll genug bremst, aber nicht so wirkungsvoll, dass das »Rad« blockiert und die Bremswärme am Reifen statt in der Bremse entsteht: Insbesondere der Boden des Topfes muss hinreichend dick und seine Leitfähigkeit hinreichend groß sein, dass bei der in ihm induzierten »Wirbelspannung« ein ausreichender Wirbelstrom zum Fließen kommt. Die Leitfähigkeit darf aber auch nicht so groß sein, als sei die Bremse geölt. Der Strom muss also noch in ausreichendem Maß gebremst werden, so dass er zwar fließt, aber auch wirklich Wärme erzeugt. Auch in einem herkömmlichen Transformator ist der Kurzschlussstrom stark induktiv, weil die Leitfähigkeit (auch) der Sekundärwicklung sehr hoch ist und der Kurzschlussstrom weit überwiegend durch die Streuinduktivität, also das magnetische Streufeld, begrenzt wird. In beiden Fällen, zu hoher oder zu niedriger spezifischer Widerstand im Topf, entstünde darin zu wenig Wärme – und wer weiß, wo die dann entstünde? Ohne das Gegenfeld würde sich das Primärfeld deutlich weiter ausbreiten und könnte andere, zufällig in der Nähe befindliche elektrisch leitfähige Teile erwärmen. Wirbelstrom ist Wirbelstrom – egal, wo. Das muss durch eine Sensorik, die die Anwesenheit von Töpfen überwacht, vermieden werden.

Der Vorteil der Induktionstechnik liegt darin, dass wirklich nur der Topf heiß wird. Die eigentliche Kochplatte kann und sollte im Prinzip kalt bleiben oder – in der Praxis – nur lauwarm werden. Die Vorteile sind ein trotz des Umwegs geringerer Energie-Verbrauch und eine Beschleunigung des Prozesses. Auch sinkt das Risiko, sich die Finger zu verbrennen, insbesondere da die nach dem Kochen im Herd verbleibende Restwärme minimiert wird. Wie viel von diesen Vorteilen in der Praxis übrig bleibt, ist eine andere Frage, doch berichtet eine Nutzerin: »Der Herd ist wirklich viel schneller als ein Ceranfeld. Es funktioniert wie Gas, also wenn man ihn abdreht, ist sofort die Hitze weg. Z. B. bei überschäumender Milch muss man nur abdrehen und nicht mehr den Topf wegziehen. Natürlich wird die Platte auch heiß, wenn der Topfboden induktiv erhitzt wird, aber die Restwärme-Warnlämpchen, die auch ein Induktionsherd hat, verlöschen sehr bald, weil die Platten eben nicht richtig heiß werden.«

Allerdings ist ein solcher Herd zwangsläufig immer elektronisch gesteuert, und wenn die Hersteller einmal dabei sind, Elektronik einzubauen, kennen sie meist kein Halten mehr und automatisieren so viel, bis die Nutzer den Überblick verlieren. Der Bereitschafts-Verbrauch – in unbestätigten Berichten war von 8 W die Rede – kann so die Energie-Ersparnis leicht wieder auffressen.

Es ist das gleiche Lied wie immer: Alles Neue muss als Energie sparend verkauft werden, und irgendwie bastelt man sich dafür eine Begründung zusammen. Am Ende leistet die Neuheit viel mehr als Vorgänger-Techniken, bietet mehr Komfort und unter Umständen auch mehr Sicherheit, ist bezogen auf den Leistungsumfang tatsächlich effizienter, doch der absolute Energie-Verbrauch steigt.

Vielleicht hilft hier die mehrfache Ausnutzung einmal vorhandener Technik? Könnten wir nicht unser Handy der Zukunft auf der Herdplatte der Zukunft laden?

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