Stromversorgung mit Licht

Nicht immer lassen sich Sensoren und Aktoren per Kupferkabel mit Strom versorgen. In solchen Fällen können Power-by-Light-Systeme die Lücke schließen.

Ob im Verkehr, in Kliniken, in der Industrie oder im Energiesektor: Vernetzte Systeme mit dezentralen Sensoren und Aktoren sind auf dem Vormarsch. Doch teils ist es nicht praktikabel, verteilte Elektronik per Kupferkabel mit Strom zu versorgen. Etwa wo elektromagnetische Störungen drohen, Kupfer zu viel Gewicht an Bord von Flug- und Fahrzeugen bringt oder Bauräume eine zusätzliche Verkabelung zu ohnehin benötigten Datenleitungen nicht zulassen. Auch wo Wärmeentwicklung der Stromkabel Messwerte verfälschen oder Funkenbildung Explosionen auslösen könnte, sind Alternativen gefragt. Die Photonik liefert sie in Form von Power-by-Light-Systemen.

Lichtwellen übertragen Strom

In solchen Systemen überträgt Licht den Strom. Laser oder LED koppeln es in optische Fasern ein, die es zu hocheffizienten photovoltaischen Leistungswandlern liefern. Anders als Photovoltaikzellen auf Dächern, die ein breites Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts in Strom wandeln, sind solche halbleiterbasierten Laserleistungszellen für die Wandlung von monochromatischem Licht optimiert. Bei 860 Nanometern (nm) Wellenlänge erreichen sie mittlerweile opto-elektrische Wirkungsgrade von fast 70 Prozent. Das gelingt durch enge Abstimmung der Bandlücke des jeweiligen Halbleitermaterials auf die Wellenlänge des Lichts. So können die Laserleistungszellen das Licht mit minimalen thermischen Verlusten in Strom wandeln. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben mit einer Galliumarsenid-(GaAs)-basierten Laserleistungszelle 67,3 Prozent Wirkungsgrad erreicht, wobei ein Laser 860-nm-Lichtwellen mit einer Bestrahlungsstärke von 9,6 Watt pro Quadratzentimeter emittierte. Die Freiburger Forscher arbeiten auch mit anderen Verbindungshalbleitern aus der III-V-Gruppe, deren Wellenlängen von 660 nm (Ga0.51In0.49P) bis 1.700 nm (GaSb) reichen. Mithilfe seriell verschalteter Mehrsegmentzellen erreichen ihre Systeme Spannungsbereiche bis 12 Volt.

Faserbasierte Systeme überbrücken große Distanzen

Auch das Sunlab der Universität Ottawa treibt die Entwicklung der optischen Energieübertragung mit Hochdruck voran. Dabei stehen Power-over-fibre-Systeme im Fokus. Optische Fasern übertragen die Lichtwellen effizient, sind leichter und kostengünstiger als Kupferkabel, korrosionsbeständig und nicht zuletzt gehen keine elektromagnetischen Störungen von ihnen aus. Hinzu kommt der Vorteil, dass sie parallel zur Stromversorgung bidirektionale Datentransporte übernehmen können.

Um diese Anwendungen zu optimieren und kilometerlange Distanz damit überbrücken zu können, setzen die kanadischen Forscher auf typische Wellenlängen des Telekombereichs. Dabei kooperieren sie mit dem US-Halbleiter- und Netzwerktechnik-Konzern Broadcom, der die Technologie vermarktet.

Das kanadische Team setzt neben GaAs-Halbleitern mit 850 nm Wellenlänge für Kurzdistanzen auf Indium-Galliumarsenid-Absorber (InAlGaAs), die sie auf Indium-Phosphid-(InP)-Substraten aufbauen. Die Converter wandeln infrarote Wellenlängen von 1310 nm hocheffizient in Strom. Zentraler Vorteil: Die Leitungsverluste sinken bei 1310 nm Wellenlänge auf 0,3 dB pro Kilometer, was sieben Prozent entspricht. Dem stehen bei 850 nm Wellenlänge 3 dB/km gegenüber – hier halbiert sich die Leistung mit jedem Kilometer.

Daneben setzen die Kanadier auf eine neue Zellarchitektur. Anstatt mehrere Zellen nebeneinander seriell zu verschalten, experimentieren sie mit einem vertikalen Aufbau der Absorberschichten. Das hat nach Angaben der Forscher den Vorteil verlässlich hoher Spannung. Bei der horizontalen seriellen Verschaltung sinke das Spannungsniveau des Gesamtsystems, sobald ein Zellsegment weniger Licht empfängt. Damit bei ihrem vertikalen Schichtaufbau auch der unterste Layer genug Licht in Strom wandeln, variieren die Forscher die Schichtstärken. Je näher an der Oberfläche, desto dünner werden die Layer. So stellt das Team sicher, dass die untersten InAlGaAs-Schichten das Licht auf demselben Spannungsniveau in Strom wandeln, wie die oberste. Getrennt sind diese Aktivschichten jeweils durch transparente Tunneldioden. Bei 0,63 Volt pro Schicht planen die Forscher mit den Sandwich-Wandlern über 5 Volt Spannung bei knapp 60 Prozent Wirkungsgrad zu erreichen. Andere GaAs-Converter, die sie mit dem US-Konzern entwickelt haben, erreichen Spannungsniveaus von 23 Volt.

Power-by-Light für 5G-Netzwerke und Netzhautimplantate

Mit ihrer neuen Systemarchitektur und bei 1310 nm Wellenlänge sollen nach Angaben der Forscher selbst bei zehn Kilometer Übertragungsdistanz 30 Prozent der eingeleiteten Energie bei dezentralen Devices ankommen. Damit eröffne sich ein neuer Versorgungsweg für dezentrale 5G-Netzwerke im Industrial Internet of Things (IIoT). Weitere Zielmärkte: Automobil- und Luftfahrtechnik, Überwachung von Energieanlagen oder das Magnetresonanz-Imaging. Auch die Freiburger ISE-Forscher sehen breite Anwendungsmöglichkeiten für die Power-by-Light-Technologie. Sei es die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, der optische Strom- und Datentransfer zu Treibstoffsensoren in Flugzeugen oder Automobilsensoren oder sei es die Versorgung smarter Implantate. Hierzu treibt das ISE aktuell mit Industriepartnern das staatlich geförderte Forschungsprojekt „LightBridge“ voran. Ziel ist eine drahtlose Stromversorgung von Netzhautimplantaten für erblindete Menschen. Bislang werde für die Versorgung solcher Implantate ein Kabel durch die Augenwand geführt, was häufig Komplikationen verursache. Stattdessen entwickeln die Forscher eine optische Übertragungsstrecke, über die sie die Implantate berührungslos mit Infrarotlicht versorgen wollen. Begleitend geht es um die Zuverlässigkeit, den Energieverbrauch und um die Verträglichkeit. Gelingt es, Laserleistungszellen beschwerdefrei im menschlichen Körper zu integrieren, dann käme das dem Startschuss für eine Fülle an medizinischen Innovationen gleich.

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