Draadloze energieoverdracht, zodat je zonder snoertjes je mobiele telefoon op kunt laden. Het bestaat al, maar eigenlijk alleen nog voor heel korte afstanden, vertelt Maurice Roes. Dat komt doordat inductieve energieoverdracht - waarbij de energie in elektromagnetische vorm van zender naar ontvanger door wordt gegeven - alleen goed werkt voor afstanden niet veel groter dan de omvang van de ontvanger. “Met dergelijke inductieve systemen kun je prima elektrische tandenborstels in hun houder opladen. Dat werkt met twee gekoppelde spoelen, waarbij het magneetveld daartussen de energie overdraagt. Zo werken ook de laders voor mobiele telefoons waarvoor je geen snoertje meer nodig hebt. Je legt je telefoon gewoon op een inductieplaatje.”

Maar voor veel toepassingen wil je juist de energie over een veel grotere afstand kunnen transporteren. Het zou mooi zijn als je je telefoon op een willekeurige plek in de kamer neer kunt leggen om hem op te laden. Of denk aan elektronische implantaten, zoals een pacemaker. Die werken op batterijen die eens in de zoveel tijd vervangen moeten worden. Daar is nu nog een operatie voor nodig, die je kunt vermijden als je de batterij van buiten het lichaam draadloos zou kunnen opladen. Via inductie is dat niet te doen, legt Roes uit. “Als je een pacemaker zonder operatie van nieuwe energie wilt kunnen voorzien, dan zou je die met een spoel van vijf centimeter moeten uitrusten.”

In principe is er een alternatief: energie kun je namelijk ook akoestisch overdragen, in de vorm van - al dan niet hoorbare - geluidsgolven. “Het voordeel van geluid is dat je het kunt focussen, en daardoor veel grotere afstanden kunt overbruggen zonder al te veel verliezen.” Naar akoestische energieoverdracht was nog maar weinig onderzoek gedaan, maar bij Electromechanics and Power Electronics vonden ze het een leuk idee, en de moeite van het proberen waard. “Het principe is eigenlijk supersimpel. Je neemt als zender een soort luidspreker die elektrische energie omzet in akoestische trillingen, en de ontvanger is een soort microfoon die het omgekeerde doet.”

“Mijn eerste zender werkte op een frequentie van zeventien kilohertz.
Daarmee kon ik precies zien wie er goede oren had”

Zijn collega’s waren niet allemaal even blij met zijn onderzoeksonderwerp, vertelt Roes. “Mijn eerste zender werkte op een frequentie van zeventien kilohertz. Daarmee kon ik precies zien wie er goede oren had. De een kwam naar me toe met de vraag of die rotherrie niet uit kon, terwijl anderen belangstellend informeerden of ik aan het meten was. Toen ben ik maar overgestapt op een frequentie die zo hoog was dat niemand het kon horen.”

Het doel was oorspronkelijk het overbrengen van een paar Watt - genoeg om een telefoon mee op te laden- over een afstand van één meter met een zender en ontvanger met een maximale doorsnede van twintig centimeter, aldus Roes. “Dat is inductief vreselijk moeilijk te doen. In het meest gunstige geval behaal je dan een efficiëntie van zes procent. Met akoestische energieoverdracht zou je in theorie een factor tien hoger uitkomen, op zestig procent. En dat verschil wordt alleen maar groter naarmate de afstand toeneemt.”

Maar om de theoretische efficiëntie ook in de praktijk te benaderen, valt nog niet mee. Sterker nog: verder dan een paar centimeter is Roes niet gekomen. Het grootste probleem is dat lucht een nogal ijl medium is dat veel lichter is dan de ontvanger - in Roes’ geval gemaakt van piezo-elektrisch keramiek. “Door dat dichtheidsverschil reflecteert een groot deel van het geluid bij de ontvanger, en dat is allemaal energieverlies.” Energieoverdracht door een vast medium, zoals een metaal, werkt daarom ook veel beter, weet hij. “Door metaal kun je wel meer dan een kilowatt sturen, heeft NASA aangetoond.”

Een deel van het verlies door reflectie wist Roes te compenseren door de zender en de ontvanger uit te rusten met een hoorns - grote toeters - te vergelijken met de klassieke hoorns die slechthorenden vroeger gebruikten. “Helaas bleek dat niet zo goed te werken als ik had gedacht, met name als de bron en de ontvanger zich dicht bij elkaar bevonden. Het blijkt nog verbazingwekkend lastig om dit te modelleren. Ook in de literatuur vind je nauwelijks bruikbare modellen terug.”

Op zo’n moment hielp het niet dat hij - en tijdelijk een postdoc in zijn groep - zo’n beetje de enige ter wereld was die zich specifiek met dit probleem bezighield. “Dat is helaas een probleem van onderzoek dat nog in de kinderschoenen staat. Je hebt niet in één keer de klapper te pakken. Maar we hebben wel een aantal leuke ideeën waar de resultaten waarschijnlijk een stuk beter van worden.”

“De overgebrachte energie is net genoeg voor een sensortje of microprocessor”

Ondanks dat Roes er uiteindelijk niet in slaagde meer dan 40 milliWatt akoestisch over te brengen - “net genoeg voor een sensor of microprocessor”- is hij toch uitgegroeid tot een wereldexpert in dit kleine vakgebied. “Ik krijg mailtjes van over de hele wereld met vragen van mensen die ook met akoestische energieoverdracht aan de slag willen.” En zijn promotie heeft hem zelfs een baan opgeleverd. Hij blijft als universitair docent bij Electromechanics and Power Electronics. Op het gebied van vermogenselektronica: met akoestische energieoverdracht zal hij zich hoogstens in de zijlijn nog bezighouden. Ergens vindt hij dat wel jammer. “We hebben nu net de eerste stappen gezet in dit vakgebied en hebben ook een voorsprong opgebouwd ten opzichte van de concurrentie. Het zou mooi zijn als we financiering kunnen vinden om dit project voort te zetten.”