Unerschöpfliche Stromversorgung ohne Kabel und Batterie

Licht, Bewegung, Wärme, Strahlung – Energie umgibt uns in den unterschiedlichsten Formen. Gelingt es, sie einzusammeln, steht einem Einsatz von wartungsfreien Sensoren, Fernbedienungen und Schaltern fernab von Kabeln nichts mehr im Wege.

Kurbelt der Schießmeister an seinem Holzkasten und ruft dann laut und lang gezogen „Es brennt!“, halten Sie sich besser erst einmal die Ohren zu. Hat sich nach der Sprengung der Staub gelegt, bleibt die Frage, was altertümliche Bergbauausrüstung mit moderner Informationstechnik zu tun hat: Auch wenn es bei Funksensoren, Eisenbahntechnik und Heimautomatisierung – glücklicherweise – nicht ganz so spektakulär zur Sache geht, so erlebt genau dort das Grundprinzip der altertümlichen Zündbox unter dem Namen Energy Harvesting ein Revival. Kein Wunder, denn die Idee eines völlig autarken Gerätes, das weder externe Stromversorgung noch Batterie braucht, besticht.

Obwohl wir heutzutage reflexartig an Steckdosen, Batterien oder Akkus und Ladegeräte denken, wenn es um Versorgung für Geräte geht, prasselt Energie in den unterschiedlichsten Formen kontinuierlich auf uns ein. Das beginnt bei offensichtlichen Dingen wie der von der Zündbox genutzten mechanischen Drehbewegung einer Achse oder einfallendem Licht. Aber auch Umgebungswärme, Schallwellen und Vibrationen transportieren Energie. Selbst osmotischer oder mechanischer Druck sowie elektrische Felder können kleine Geräte speisen.

Lichtschalter ohne Kabel

Gelingt es, diese unerschöpflichen Energiequellen anzuzapfen und daraus wartungsfreie und allzeitbereite Geräte zu bauen, eröffnen sich verblüffend viele Anwendungsbereiche. Der technische Mehraufwand lohnt insbesondere dort, wo ein regelmäßiger Batteriewechsel unerwünscht, teuer oder gar unmöglich ist: Laut Murphy macht die Batterie des drahtlosen Lichtschalters am Samstagabend im Dunkeln schlapp, Wildtiere mit GPS-Halsband kommen nicht auf Zuruf zur Ladestation und ein Batteriewechsel bei einem weit verteilten Sensornetz mit Tausenden von Knoten rechnet sich nicht.

Energy Harvesting und Funktechnik gehen dabei Hand in Hand: So reicht zur Montage eines drahtlosen Lichtschalters ein Streifen Klebeband – keine Rede mehr von Mauerfräse, Strippenziehen und Verputzen, nur weil Bett oder Sofa mal woanders stehen sollen. Während der Schalter die für die Funkübertragung benötigte Energie per Piezoelement oder elektromagnetisch aus dem Druck auf die Taste gewinnt, bieten sich für drahtlose Bewegungsmelder Solarzellen an. Ebenfalls in den großen Themenbereich Heim- respektive Gebäudeautomatisierung gehören fernsteuerbare Thermostate (Stellglieder), die den Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Umgebung anzapfen.

Weil die winzigen Energy Harvester nur geringe Erträge liefern, ist entweder die Funkreichweite sehr begrenzt oder es reicht nur für sehr seltene Übertragungen. Es sei denn, viele Sensoren verbinden sich zu einem Mesh-Netzwerk. Jeder Sensor reicht empfangene Datenpakete an seine Nachbarn weiter. Im Idealfall organisiert sich ein solches Netz selbst und verkraftet Ausfälle einzelner Knoten.

Kein Wunder, dass bei diesem Thema das Militär – in Form der amerikanischen DARPA – liebend gern Geld für Forschung springen lässt. Bereits 1997 begann das Forschungsprojekt Smart Dust, 1 Kubikmillimeter kleine Sensoren zu entwickeln, die man über dem Kampfgebiet abwerfen kann. Dort bauen sie autonom ein Mesh-Netz auf und funken ihre Beobachtungen an die Zentrale. Aus dem Projekt ging die Firma Dustnetwork hervor, die sich wiederum 2011 der Halbleiterhersteller Linear Technologies einverleibt hat – Informationen zu einem konkreten Einsatz des smarten Staubs liegen uns nicht vor. Die Forschungsgruppe an der Uni Berkeley hatte aber auch noch andere Einsatzgebiete im Visier, etwa Sonarbojen, die Energie aus Wellenenergie gewinnen und Häfen überwachen.

Ozean der Energie

Messungen an sehr vielen und weit verteilten Orten eröffnen aber auch im zivilen Bereich neue Möglichkeiten: So interessiert Netzbetreiber, an welcher Stelle Hochspannungsleitungen wie heiß sind, wie stark sie momentan durchhängen oder schwingen und wie sehr der Wind kühlt. Anhand dieser Daten kann er die teuren Überlandleitungen besser auslasten, ohne muss er sie mit riesigen Sicherheitspuffern betreiben. All diese Parameter lassen sich leicht messen, doch ergeht es empfindlichen Halbleitersensoren mit Hochspannung wie Schiffbrüchigen mit Wasser: Sie schwimmen zwar mitten im Ozean, können aber doch nichts trinken.

Forscher von der TU Chemnitz und dem IZM Fraunhofer haben im Astrose-Projekt unter anderem einen Energy Harvester entwickelt, der das elektrostatische Randfeld der Überlandleitung anzapft. Die Sensoren werden mechanisch auf die Leitung geklemmt, elektrisch aber isoliert; die empfindliche Elektronik kommt nicht in Kontakt mit der Hochspannung. Daten verschicken sie per Funk.

Während all diese Anwendungen mit ein paar Milliwatt auskommen, hat ein Forschungsteam der amerikanischen Stony Brook University eine kräftige, aber nur sporadisch verfügbare Quelle aufgetan: Ihr Harvester bezieht kurzzeitig bis zu 200 Watt aus dem Druck, den ein vorbeifahrender Zug auf die Schienen ausübt. Das reicht, um an entlegenen Bahnstrecken ohne Oberleitungen Signale zu betreiben und funktioniert – anders als Solarzellen – auch unter dicken Schneedecken. ... (bbe)

Den vollständigen Artikel finden Sie in c't 6/2013.