Strom aus dem (scheinbaren) Nichts

    Die Milliarden mobiler Sensoren des Internet der Dinge lassen sich nicht verkabeln.
    Auch Batteriewechsel machen zu viel Arbeit.
    Eine Lösung: Die Geräte „ernten“ sich die nötige Energie aus der Umgebung.
    Weitgehend wartungsfrei.

Stuttgart/Berlin – Wer ein Netzwerk funkender Sensoren installiert, muss es mit Strom versorgen. In der geschützten Umgebung einer Maschinenhalle oder eines Hauses mag das einfach sein. Was aber, wenn im Internet der Dinge fast alle Gegenstände Sensoren enthalten sollen? Und das an Orten, wo keine Stromleitungen verlegt sind? Dann lässt sich die Energie vielleicht aus Druckänderungen, Vibrationen oder Temperaturunterschieden in der Umgebung ziehen. Auch Bosch erforscht diese sogenannte „Energie-Ernte“ (englisch: energy harvesting) und deren Anwendung, zum Beispiel im öffentlich geförderten Verbundprojekt 9D-Sense. Daran haben zehn weitere Partner Anteil.

Unerwünscht: störanfällige Verkabelungen
Viele der Milliarden neuer Teilnehmer des Internet der Dinge werden günstige Sensoren sein, die Informationen über ihre Umgebung sammeln. Diese Daten schicken sie mit standardisierter Funktechnik an Router in ihrer Nähe. Das Installieren der Sensoren sollte so einfach wie möglich sein, umständliche und störanfällige Verkabelungen gilt es zu vermeiden. Bei hunderten oder tausenden Sensoren in der Umgebung wäre auch das Wechseln von Batterien eine zeitfressende Herkulesaufgabe – und viel zu teuer. Und die Sicherung des Batteriefaches gegen Feuchtigkeit ist aufwändiger, als es für ein wartungsfreies Gehäuse der Fall ist.

Sensoren, versorgt Euch selbst
Aus alledem ergibt sich ein Wunsch-Anforderungsprofil: Batterielose Funksensoren sollten ihre Energieversorgung möglichst selbst sicherstellen. Die Physik beschreibt mehrere Effekte, die sich dafür nutzen lassen. Nicht an jedem Standort stehen alle diese Energiequellen zur Verfügung, daher muss die jeweils passende Energiequelle genutzt werden. Winzige Akkus können die kleinen Energieerträge zwischenspeichern. Eine geschickte Programmierung lässt die Sensoren ihre Daten nur dann übertragen, wenn es wirklich nötig ist. Das spart Energie.

Photoelektrischer Effekt
Treffen Photonen einer energiereichen Strahlung auf eine geeignete Metall- oder Halbleiterplatte, ändert sich die Energie von Elektronen in dem Material. Eine elektrische Spannung entsteht. Solarzellen basieren auf diesem Prinzip, winzige Solarzellen können winzige Sensoren mit Strom versorgen – Licht vorausgesetzt.

Thermoelektrischer Effekt
Ströme lassen sich auch aus Temperaturunterschieden gewinnen. In einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen entsteht eine elektrische Spannung, wenn die Metalle unterschiedliche Temperaturen haben. Dies lässt sich zum Bau kleiner, thermoelektrischer Generatoren nutzen, etwa in einem Armband: die der Haut zugewandte Seite ist warm, die andere kühl.

Piezoelektrischer Effekt
Einige Materialien zeigen den piezoelektrischen Effekt: Drückt man es zusammen, entsteht an ihren Oberflächen eine elektrische Spannung. Dies hat seine Ursache in der Verschiebung elektrischer Ladungen im Inneren. Im umgekehrten Fall (inverser Piezoeffekt) lassen sich Materialien durch das Anlegen einer elektrischen Spannung auch verformen. Beide Effekte finden bereits vielfältige technische Anwendungen. In der Industrie hergestellte Piezoelemente bestehen zumeist aus Keramiken. Sie können zum Beispiel Vibrationen in kleine Ströme umsetzen.

Schwingungswandler
Viele Teile von Maschinen schwingen während des Betriebs. Dies lässt sich zum Bau eines Schwingungswandlers nutzen: Ein schwingendes oder vibrierendes Teil der Maschine bewegt einen Dauermagneten in einer Spule hin und her. Dies induziert wiederum eine (meist kleine) Spannung.

Rotationswandler
Ihnen liegt das Dynamoprinzip zu Grunde: Der sich drehende Fahrradynamo produziert eine elektrische Spannung. Viele technische Geräte haben ebenfalls sich drehende Teile, die mit miniaturisierten Dynamos Energie liefern, um die Sensoren in ihrer Umgebung zu versorgen.

Praktische Umsetzung im Projekt 9D-Sense
Von dieser Theorie in die Anwendung: Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Verbundprojekt 9D-Sense schafft unter der Koordination von Bosch mit zehn weiteren Partnern aus Universität und Industrie ein günstiges, eigenständiges und kleines Multisensorsystem. Dessen Energieversorgung übernimmt ein Energie-Harvester, erklärt Projektleiter Torsten Ohms von Bosch Sensortec.

Das Projekt ist dreigeteilt: Das Sensormodul misst in neun Freiheitsgraden
(3-achsiger Beschleunigungssensor, 3-achsiger Drehratensensor, 3-achsiger Magnetsensor). Die Energieversorgung besteht aus einer Dünnschichtbatterie als Zwischenspeicher sowie einem thermoelektrischen und einem Vibrations-Harvester. Hinzu kommt eine sichere, drahtlose Datenübertragung der Informationen mit entsprechenden Algorithmen und Schnittstellen.

Derzeit werden mehrere mögliche Anwendungen der Technologie untersucht: „Smart wristlets“ sind Armbänder, die die Bewegungsdaten ihres Trägers aufzeichnen, hier ist zum Beispiel das Unternehmen Gemalto Partner. Die Otto Bock Healthcare Products interessiert sich für die Energieversorgung von Orthesen, um ihren Trägern womöglich beim Strecken von Gelenken (hier des Kniegelenks) helfen zu können.

Navigation von Fußgängern in Gebäuden
Bosch schließlich erforscht unter anderem, wie die Sensoren bei der Navigation von Fußgängern in Gebäuden helfen können: Der Sensor erkennt die Bewegungen seines Trägers im Gebäude und markiert die zurückgelegte Strecke auf einer elektronischen Karte auf einem Smartphone oder einem Tablet. Diese könnte dem Träger auf Wunsch zugleich den Weg durch eine ihm unbekannte, aber kartographierte Umgebung weisen. Derzeit gibt es Projekte, die das Kartographieren von Gebäuden durch Erhebung von Nutzerdaten vorbereiten. Das alles funktioniert ohne GPS, dessen Signale in Gebäuden oftmals gar nicht oder nur schlecht zu empfangen sind. Sitzt der Träger, nutzt ein Energy Harvester die Körperenergie, läuft er herum, erntet ein weiterer Harvester Bewegungsenergie. Natürlich kann der Träger alle diese Techniken auch deaktivieren, wenn er es wünscht.

Internet
Forschungsprojekt 9D-Sense:
http://bit.ly/1hHR89T
Verbundprojekt EnAs zu energieautarken Sensoren:
http://bit.ly/1hErUsS

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