Energieautarke Systeme machen Batterien überflüssig

Sensor- und Mikrosysteme, welche die zum Betrieb erforderliche Energie drahtlos aus ihrer unmittelbaren Umgebung beziehen, eröffnen mikroelektronischen Komponenten auf Grund ihrer enormen Flexibilität ein völlig neues Terrain von Anwendungen.

Die Möglichkeiten des heute Machbaren sowie die durch Materialeigenschaften und Physik vorgegebenen Grenzen der unabhängigen Energieerzeugung standen im Fokus des Workshops „Energieautarke Sensorik“, zu dem die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) namhafte Experten nach Düsseldorf eingeladen hatte.

„Low-power Technologien erlauben es, mit geringstem Energieaufwand Daten zu erfassen und die ermittelten Messwerte und Informationen drahtlos weiterzuleiten“, erläutert Dipl.-Phys. Manfred Klein, Leiter des GMM-Fachausschusses „Sensorik“ und wissenschaftlicher Leiter des Workshops. Derartige Bausteine seien Schlüsselkomponenten für eine breite Palette mobiler Funktionen und Dienstleistungen.

Daraus würden smarte Produkte hervorgehen, die ganz neue Anforderungen an Material und Technologie von Sensoren und Aktoren stellen. Dies erfordere innovative Lösungen bei Elektronik und deren Energieversorgung, wie zum Beispiel leichte Integrierbarkeit, kleine Baugröße bei minimalem Gewicht in Verbindung mit einer hohen Zuverlässigkeit bei gleichzeitig niedrigen Kosten. Im Rahmen der Umsetzung müssten diese Randbedingungen beachtet werden.

Gebäudeüberwachung als Target

Zu den zukunftsträchtigsten Einsatzbereichen für energieautarke Sensorsysteme gehört zweifelsohne das Gebäudemonitoring. Insbesondere im Zusammenhang mit dem zunehmenden Alter von Bauwerken wie auch ansteigenden Anforderungen an deren Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit kommt der fortlaufenden Gebäudeüberwachung mittels geeigneter Technologien eine immer größere Bedeutung zu. Zu diesem Zweck wird derzeit an der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart an den Grundlagen einer praxisnahen Bauwerksüberwachung auf der Basis von kabelunabhängigen Systemen gearbeitet. Diese sollen zum einen preiswert und flexibel sein und zum anderem eine gezielte Datenerfassung ermöglichen.

Kabelgebundene Überwachungssysteme wurden bisher nur selten eingesetzt, weil ihre Installation mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist. „Die Verwendung von intelligenten, drahtlosen Sensornetzwerken ermöglicht hingegen ein breiteres Anwendungsspektrum, da derartige Monitoring-Systeme gegenüber konventionellen Messsystemen einfacher zu applizieren und deutlich kostengünstiger sind“, erläuterte Dr. Markus Krüger von der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart anlässlich des Workshops.

Im Bereich der Schallemissionsanalyse zum Nachweis von Schädigungsprozessen in Gebäuden hat Krüger im Arbeitskreis von Prof. Dr. Christian Große bereits konkrete Lösungen erarbeiten können. Das Gleiche gilt seinen Angaben zufolge für Dehnungs- und Verformungsmessungen. Vom erfolgreichen Einsatz drahtloser Techniken ist Krüger heute bereits überzeugt. „Der Einsatz derartiger Sensornetzwerke kann gegenüber der Verwendung drahtgebundener Monitoring-Systeme die Kosten für die Dauerüberwachung von Bauwerken deutlich senken“, zeigte er sich überzeugt. Ein wesentlicher Vorteil sei vor allem die höhere Flexibilität eines kabelungebundenen Überwachungssystems.

Sensoren schöpfen aus einem „Meer der Energie“

Mit EnOcean Dolphin ist es der in Oberhaching bei München ansässigen EnOcean GmbH bereits gelungen, den Anwendern eine Plattform für energieautarke Funksysteme zur Verfügung zu stellen. Unternehmensangaben zufolge wurden bisher rund 500.000 Funkmodule vorwiegend im Bereich der Gebäudeautomatisierung installiert. Insgesamt seien in den vergangenen Jahren bereits über 10.000 Häuser mit Modulen ausgestattet worden.

„Ein extrem sparsamer Einsatz der verfügbaren Energie ist der Schlüssel für das verlässliche Funktionieren der Energy Harvesting Technik“, erläuterte Frank Schmidt, CTO der EnOcean GmbH. Der Name des Unternehmens ist zugleich Programm. So schöpfen die Systeme ihre Power aus einem uns ständig umgebenden „Meer von Energie“. Nach Ausführungen des Unternehmens lassen sich auf der Basis der Dolphin Plattform eine Vielzahl neuer Produkte mit einer Vielzahl von Möglichkeiten leicht realisieren. So kann beispielsweise ein Wohnraumfühler anzeigen, ob irgendwo ein Fenster geöffnet ist und deshalb Heizung oder Klimaanlage abgeschaltet sind. Textilien übertragen Informationen Bei der Entwicklung miniaturisierter piezoelektrischer Wandler für den Einsatz in Energieautarken Mikrosystemen zieht die Siemens AG gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Elektrische Messtechnik der Universität Hamburg und dem Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik/Mikroaktorik der Universität des Saarlandes an einem Strang. Piezolektrische Wandler stellen eine interessante Möglichkeit dar, mechanische Energie aus der Umgebung in elektrische Energie zu wandeln. Der Auslöser für die Entwicklungsrichtung stammt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo die Herstellung eines Joggingschuhs gelungen ist, bei dem jeder Schritt einen schwachen elektrischen Puls durch die Sohle schickt. Hierfür verantwortlich sind piezoelektrische Keramiken im Sohlengummi, die bei ihrer Verformung genügend elektrische Energie abgeben, um beispielsweise einen kleinen GPS-Navigationssender zu betreiben. Nicht nur in Schuhe, sondern auch in Textilien lassen sich Mikrobauelemente integrieren. Wie vom Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland (TITV) anlässlich des Workshops demonstriert wurde, lassen sich dadurch gänzlich neue Funktionen für Textilien ermöglichen. Die Integration erfolgt mittels leitfähig ausgerüsteter Polymerfasern, mit denen sich wiederum mit Web-, Strick- und Stickmaschinen strukturierte Leiterbahnen herstellen lassen. Da das Textil im Gegensatz zu den üblichen Leiterplatten eine flexible Verbindung mit den mikroelektronischen Modulen erfordert, wurden alternative Kontaktierungsmöglichkeiten untersucht und vorgestellt. Anwendungen der textilen Mikrosystemtechnik finden sich z. B. bei aktiv leuchtenden Textilien aber auch bei Textilien zur Übertragung von Informationen.