Strom aus Wärme für drahtlose Sensoren [Update]

Die auf thermoelektrische Dünnfilmelemente spezialisierte deutsche Firma Micropelt hat ein drahtloses Sensorsystem namens "TE-Power Node" vorgestellt, das ohne Batterie auskommt. Es bezieht seine Energie aus Umgebungswärme, genauer gesagt einer Temperaturdifferenz zwischen der Unterseite der 6 cm × 2,7 cm großen Alu-Grundplatte und dem Kühlkörper auf der Oberseite. Aus dieser gewinnen ein oder zwei hauseigene Thermogeneratoren vom Typ MPG-D751 (PDF-Datei) elektrische Energie. Sie arbeiten dabei nach dem inversen Prinzip eines Peltier-Elements: Zwischen zwei unterschiedlich warmen Flächen stehen paarweise Stege aus N- und P-dotierten Halbleitern, die jeweils an einer Seite elektrisch verbunden sind. Am Übergang entsteht eine Thermospannung (Seebeck-Effekt). Auf einem solchen Thermogenerator stehen auf rund 540 solche "leg pairs" und liefern rund 140 mV pro Kelvin Temperaturunterschied. Daraus erzeugt ein DC-DC-Wandler konstante 2,4 Volt und lädt einen 100-µF-Kondensator.

Ab einer Temperaturdifferenz (direkt über dem Thermogenerator) von 3,5 °C reicht die dort gespeicherte Energie aus, damit das Sensorsystem aus einem MSP430-Prozessor und einem CC2500-Transmitter für Low-Power-Funk (2,4 GHz) einmal pro Sekunde aufwacht, Daten sammelt und diese an eine Basisstation funkt. Die Funkübertragung dauert dabei jedoch nur 2 ms. In der Praxis sind jedoch teils Temperaturdifferenzen von 10 bis 20 °C zwischen Modulober- und -unterseite nötig, damit genug am Thermogenerator ankommt.

Der MSP430-Mikroprozessor aus dem Evaluationskit, dass Micropelt für rund 465 Euro anbietet, übermittelt erst einmal nur die wichtigsten Kenndaten des Thermogenerators (Temperaturen und Spannung). Weitere Daten lassen sich allerdings per I²C-Schnittstelle einspeisen. Eine Version mit ZigBee-Funkchip (CC2420) ist in Vorbereitung. Die Massenproduktion der Thermogeneratoren soll im kommenden Jahr anlaufen.

Die Energieversorgung stellt eine der größten Hemmschwellen beim Einsatz drahtloser Sensoren dar. Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele, allerdings kommt für viele davon ein regelmäßiger Batteriewechsel nicht in Frage. Daher suchen viele Firmen und Forschungsinstitute unter dem Sammelbegriff "Energy Harvesting" nach Verfahren, die kontinuierlich kleine Mengen elektrischer Energie aus Bewegungen, Wärme oder Licht erzeugen und speichern. Für kurze Übertragungen – beispielsweise mit sparsamen Funkverfahren nach 802.15.4 – liefert dann der Pufferspeicher genug Energie.

Zum Thema Energy Harvesting siehe auch