Wissenschaft

Sensoren: Stromversorgung durch Vibration

Die Stromversorgung von verbauten oder drahtlosen Sensoren stellt für die Wissenschaft eine Herausforderung dar. Grazer Forscher wollen Sensoren nun mithilfe von Vibrationen mit Energie versorgen.

In der Alltagsumgebung seien nicht-sichtbare Sensoren mittlerweile keine Seltenheit, sagt Jonas Groten von Joanneum Research: „Sie sind nicht nur im offensichtlichen Umfeld, wie beispielsweise in moderner Produktion oder Informationstechnologien, zu finden, sondern auch im Stillen und Versteckten: in den Wänden unserer Häuser, in der Karosserie unserer Fahrzeuge, im Fußboden, in Windturbinen, im Spielzeug, in der landwirtschaftlichen Nutzung und vieles mehr.“

Eine Herausforderung stelle die Energieversorgung für diese dar, da herkömmliche Wege durch eine Verkabelung oder die Stromversorgung durch Photovoltaik ausscheiden und auch Batterien wenig ökologisch sind und viel Wartungsaufwand mit sich bringen, heißt es in einer Aussendung von Joanneum Research.

Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie

Das EU-Projekt „Symphony“ (Smart Hybrid Multimodal Printed Harvesting of Energy) verfolgt das Ziel, eine Lösung für dieses Problem zu finden. Ein kleiner Sensor, der etwa zum Messen der Zimmertemperatur verbaut wurde, benötigt 0,1 bis zehn Milliwatt bei einer dauerhaften drahtlosen Übertragung, nennt Groten, der am Institut für Oberflächentechnologien und Photonik des Joanneum Research arbeitet, ein Beispiel.

„Wir haben uns gefragt, wie man am effizientesten die dauerhafte Energieversorgung an versteckten Orten gewährleisten kann. Eine Möglichkeit ist die Umwandlung von kinetischer Energie wie Vibration oder Rotation in elektrische Energie – also nicht elektrische wird zu elektrischer Energie und kann dann direkt an Ort und Stelle ‚geerntet‘ werden. Das entspricht dem System des Energy Harvesting und funktioniert in vielen Anwendungen“, so Groten. Die bekannteste und mittlerweile schon „alte“ Technologie hierfür ist die der Solarzellen, die aber nur für Licht funktioniert.

Energie von „wackelnden“ Maschinen nutzen

Eine Alternative sehen die Forscher in der Vibration. So könne man etwa die Bewegungsenergie, etwa von Maschinen die in Produktionslinien „wackeln“, nutzen. Möglich gemacht könne das aber nur mithilfe eines Materials, das elektromechanische Eigenschaften besitzt und dadurch als „Umwandler“ fungiert.

Da die häufig dafür verwendeten Bleiverbindungen jedoch toxisch sind, habe man sich für ein anderes Material entschieden, so Groten: „Wir verwenden deswegen ein bleifreies Polymer mit piezoelektrischen Eigenschaften. Dieses Polymer hat mehrere Vorteile: Es ist nicht giftig, es ist günstig, und es ist großflächig druckbar. Wir beschäftigen uns in unserer Forschung damit, wie wir dieses Material weiter optimieren können.“

Anwendung etwa bei „Smart Home“ und Fahrrad

Beim Projekt „Symphony“ werden drei Anwendungsbeispiele des energieumwandelnden Polymers untersucht: die Zustandsüberwachung in einer Windkraftanlage, die energieeffiziente Raumheizung oder -kühlung von einem sogenannten Smart Home und die Druckkontrolle von Schläuchen in Fahrrädern.

Die Funktionsweise des piezoelektrischen Polymers PVDF sei dabei folgende, erklärt Groten: „Unter bestimmten Bedingungen bildet es eine Struktur, in der sich kleinste molekulare Dipole über einen großen Bereich aufsummieren. Man spricht dann von einer remanenten Polarisation. Wird dieses Polymer nun verformt, ändert sich diese Polarisation, und dadurch auch die Anzahl der elektrischen Ladungen in auf das Polymer aufgebrachten Elektroden. Verbindet man diese Elektroden wird bei mechanischer Verformung Strom generiert, der für die Energiegewinnung eingesetzt wird.“