So gewinnen Forscher Energie aus der Luft

Vom Kühlschrank über den Fernseher bis hin zum Smartphone: Etwa 75 Milliarden Geräte sollen laut Statista bis 2025 vernetzt sein. Dabei werden kontinuierlich Daten übertragen, was einen enormen Energieaufwand bedeutet. Die Geräte können heute auf unterschiedlichen Wegen mit Strom versorgt werden – in der Regel über Kabel. 

Da die bei intensiver Bewegung aber brechen können und zudem an eine Steckdose gebunden sind, kommt immer öfter drahtlose Energieübertragung zum Einsatz. Im Hausgebrauch werden Handys etwa häufig über elektromagnetische Induktion aufgeladen. Laut Holger Arthaber von der TU Wien können sich dabei aber nicht nur Ladeschale und Akku erhitzen, was dem Akku schadet, auch der Stromverbrauch sei höher und die Reichweite auf maximal zwei Meter begrenzt.

Sensor ohne Batterie

Für die Industrie ist die Induktion jedenfalls nicht geeignet, denn  die Energieversorgung von Mikroelektronik stellt höhere Anforderungen an Reichweite und Leistung. Dafür bietet die Energiegewinnung über Funkwellen Lösungen. Dadurch entfällt das Austauschen von Batterien. Auch die Umweltbelastung fällt weg.

An solchen Chips und Sensoren, die ohne Batterie auskommen und Daten verschlüsselt übertragen, arbeitet  Thomas Ußmüller vom Institut für Mechatronik der Universität Innsbruck. Für einen optimalen Energieverbrauch und eine gute Reichweite bedient er sich der sogenannten Ultra-Low-Power-Schaltungstechnik. Der Datentransport, ausgehend von einem Lesegerät zu mobilen Sensorknoten, geht über elektromagnetische Funkwellen vonstatten.

Energie per Funkwelle

„Gleichzeitig steckt in der Funkwelle Energie. Nicht viel, aber ein bisschen“, sagt der Forscher und ergänzt: „Der Sender sendet maximal zwei Watt Ausgangsleistung. Je nach Abstand zwischen Sender und Empfänger kommt dann unterschiedlich viel Energie am Sensorknoten an.“ Die wird abgefangen. 

Bei einem Abstand von etwa 10 Meter kommen nur 10 Mikrowatt heraus. Zum Vergleich: Eine Glühbirne benötigt 100 Watt – das ist ein Faktor von 10 Millionen. Hier bedarf es daher weiterer Forschung. Ziel ist es, dass die mobilen Knoten letztendlich mit 2 Mikrowatt auskommen. Ußmüller und sein Team arbeiten auch daran, die Distanz auf 20 bis 30 Meter zu erhöhen.

Breites Anwendungsfeld

Zur Anwendung kommt die abgefangene drahtlose Energie in dem vom Forscherteam rund um Ußmüller entwickelten batterielosen Sensornetzwerk BaKoSens 4.0. Durch den modularen Aufbau können mehrere Sensoren Daten sammeln. Der Prototyp mit eingebautem Temperatursensor wird für unterschiedliche Komponenten angewandt, die am Ende alle in einem Netzwerk vereint werden und als Gesamtsystem fungieren. 

Das Sensornetz kann künftig unter anderem dort eingebaut werden, wo eine Wartung der Energiequelle nur schwer möglich ist: zum Beispiel in Mauern. „Häufig werden Häuser mit Styroporplatten gedämpft. Dort, wo es eine undichte Stelle gibt, wird es feucht – die Stelle muss wieder isoliert werden. In vielen Fällen muss man sie aber öffnen und nachsehen“, erklärt Ußmüller. Werden aber Funkknoten mit Feuchtigkeitssensoren in Dämmplatten eingebaut, könnte man die Beschaffenheit der Wand einfach auslesen.

Im medizinischen Bereich kann das System wiederum in waschbare, intelligente Textilien integriert werden. Aus dem smarten T-Shirt können Daten wie Temperatur, EKG oder Herzschlag ausgelesen und verschlüsselt übertragen werden.  

Lösung für Zuhause

Die Lösung des Forschers bietet aber auch Vorteile für zuhause. Dort kann sie dabei helfen, den Energieverbrauch im Haushalt zu reduzieren. „Ein Fernseher ist konstant an der Steckdose angeschlossen. Und das nur deswegen, weil wir zu bequem sind, jedes Mal von der Couch aufzustehen und den Ein- und Ausschaltknopf zu drücken“, sagt Ußmüller.

Wird in die Fernbedienung jedoch ein solches Lesegerät integriert, schickt sie elektromagnetische Wellen aus. Die Energie, die der Empfänger braucht, entnimmt er aus diesem Lesegerät. Anders als beim Standby-Modus muss das TV-Gerät Energie nur dann auslesen, wenn es sie auch wirklich benötigt.

Know-how für Betriebe

Das Sensornetzwerk BaKoSens 4.0 von Ußmüller stellt eine praktische Anwendung für die Industrie 4.0 dar. Bei dieser sollen generell moderne Informations- und Kommunikationstechniken ineinandergreifen, sodass Menschen, Maschinen oder Produkte miteinander kommunizieren können. Durch digital vernetzte Systeme können in Folge ganze Wertschöpfungsketten – von der Entstehung über die Entwicklung bis hin zur Fertigung und Nutzung eines Produkts – optimiert werden. 

Zahlreichen  Betrieben fehlt aber noch das Know-how, um innovative Technologien effizient einzusetzen und international wettbewerbsfähig zu bleiben. Q-West, ein von der FFG gefördertes Qualifizierungsnetzwerk aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen, soll das ändern.

Wissensvermittlung

Forscher der  Institute für Mechatronik und Informatik an der Universität Innsbruck, der Fachhochschule Salzburg und der  Fachhochschule Vorarlberg haben sich zusammengetan, um insgesamt 21 beteiligten Unternehmenspartnern praktisches Wissen im Bereich Industrie 4.0 weiterzugeben. Ziel dabei ist es, dass Betriebe frühzeitig auf die neuen Anforderungen vorbereitet werden. Vorgestellt werden Themenbereiche der Industrie 4.0 – von Geschäftsprozessen bis hin zum Internet der Dinge, bei dem zahllose Geräte miteinander vernetzt sind. 

Dreistufiger Prozess

Zuerst sorgen Basis-Kurse für eine  einheitliche Wissensbasis, gefolgt von weiterführenden Lehrgängen, die  aktuelle Forschungsfragestellungen mit Bezug zu Industrie 4.0 behandeln. Am Ende werden konkrete Projekte  unter Begleitung der Experten in den Firmen umgesetzt.

Diese Serie erscheint in redaktioneller Unabhängigkeit mit finanzieller Unterstützung der Forschungsförderungsgesellschaft  (FFG).