Zusammenfassung:
Forschungsteams der University of Arkansas und der University of Michigan haben kürzlich eine neue Technologie demonstriert. Sie entwickelten ein auf Graphen basierendes Energiegewinnungsgerät, das Energie aus elektromagnetischer Umgebungsstrahlung gewinnt, die von umgebenden Stromleitungen erzeugt wird, und diese in elektrische Energie umwandelt, um Sensoren mit Strom zu versorgen, was einen unabhängigen Betrieb ohne Batterien oder Stromversorgungsleitungen ermöglicht.
Die Forscher nutzten diese Technologie, um ein drahtloses Temperaturüberwachungssystem zu bauen, das einen Graphen-Energie-Harvester, eine Stromumwandlungsschaltung, einen Energiespeicherkondensator und einen Temperatursensor mit extrem niedrigem Stromverbrauch umfasst. Das gesamte System wird durch elektromagnetische Induktion mit Strom versorgt und kann die Aufgabe der Temperaturerfassung erfüllen, ohne auf herkömmliche Batterien angewiesen zu sein.
Das Funktionsprinzip basiert auf dem sich ändernden Magnetfeld, das durch Wechselstrom erzeugt wird. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, erzeugt er um ihn herum ein Magnetfeld, und Wechselstrom ändert weiterhin Richtung und Intensität und setzt so kontinuierlich ein sich änderndes Magnetfeld frei, das Energie transportiert. Im US-amerikanischen Stromnetz erfolgt diese Änderung typischerweise bis zu 60 Mal pro Sekunde. Das Forschungsteam nutzte diese ansonsten vernachlässigten Energiequellen, um unabhängige Geräte kontinuierlich mit Strom zu versorgen.
Um diese Magnetfeldenergie einzufangen, verwendeten die Forscher Graphen zur Herstellung von Induktoren und fügten einen Stahlkern hinzu, um die Fähigkeit zur Magnetfelderfassung zu verbessern. Wenn ein Gerät in der Nähe einer Stromleitung platziert wird, durchdringt das sich ändernde Magnetfeld um den Draht den Induktor und induziert an ihm eine schwache Wechselspannung. Bei diesem Prozess handelt es sich um das gleiche Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das auch bei herkömmlichen Transformatoren und Generatoren zum Einsatz kommt.
Die anfänglich erzeugten elektrischen Signale können elektronische Geräte jedoch nicht direkt ansteuern. Einerseits handelt es sich um Wechselstrom, während der Sensor Gleichstrom benötigt; Andererseits ist sein Spannungsniveau bei weitem nicht ausreichend. Zu diesem Zweck entwarf das Forschungsteam eine Stromumwandlungsschaltung auf Basis eines Cockcroft-Walton-Spannungsverdopplers, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und die Spannung schrittweise auf ein für den Sensor nutzbares Niveau zu erhöhen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen verwendet dieses System keine wiederaufladbaren Batterien, sondern drei Kondensatoren zur Speicherung der gesammelten elektrischen Energie. Der Kondensator sammelt nach und nach Ladung, und die Forscher sagen, dass der Energie-Harvester die Energie schneller wieder auffüllt, als der Temperatursensor sie verbraucht, sodass das System den Langzeitbetrieb aufrechterhalten kann.
Selbst nach Spannungserhöhung und Energiespeicherung ist der Umfang der auf diese Weise gewonnenen Energie immer noch sehr gering. Um sich an diese Einschränkung anzupassen, hat das Forschungsteam speziell einen Temperatursensor mit extrem geringem Stromverbrauch entwickelt, dessen Stromverbrauch nur im Nanowattbereich liegt, also einem Milliardstel Watt. Berichten zufolge verbraucht das Gerät etwa 30 Millionen Mal weniger Strom als ein AirPods-Headset.
Die Forscher sagten, dass der Graphen-Induktor zwar nicht schnell Energie sammelt, diese aber dennoch ausreicht, um die im Kondensator gespeicherte Energie kontinuierlich aufzufüllen. Solange sich in der Nähe eine ausreichende Quelle elektromagnetischer Energie befindet, kann das System theoretisch unbegrenzt betrieben werden. Gleichzeitig kann der Kondensator auch überschüssigen Strom speichern, sodass das Gerät auch bei vorübergehender Unterbrechung der Umgebungsstromversorgung weiterhin arbeiten kann. Nach Einschätzung des Teams kann der Sensor mit der gespeicherten Ladung mindestens 24 Stunden am Laufen bleiben, in manchen Fällen soll er sogar etwa eine Woche durchhalten.
Professor Paul Sibado, der Leiter der Forschung, wies darauf hin, dass die Geschwindigkeit, mit der der Induktor den Kondensator wieder mit Ladung versorgt, zwar langsam ist, aber immer noch höher als die Geschwindigkeit, mit der der Sensor Strom verbraucht. Daher kann das System auch nach einem Stromausfall über einen längeren Zeitraum mit der im Kondensator gespeicherten Energie weiterbetrieben werden.
Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass diese Technologie gut für Temperaturüberwachungsnetzwerke in großen Industrieanlagen geeignet ist. Tausende von Sensoren müssen häufig rund um Fabriken, Pipelinesysteme und verschiedene mechanische Geräte eingesetzt werden. Herkömmliche Lösungen erfordern entweder eine komplexe Verkabelung der Stromversorgung oder einen häufigen Batteriewechsel. Mit der Einführung neuer Technologien wird erwartet, dass eine große Anzahl von Sensoren lange Zeit ohne Kabel oder Batteriewartungsanforderungen funktionieren.
Die Forscher wiesen jedoch auch auf die Grenzen der Technologie hin. Erstens muss sich das Gerät in der Nähe eines sich ändernden Magnetfelds befinden, das stark genug ist, dass es in keiner Umgebung Elektrizität aus dem Nichts erzeugen kann. Zweitens haben aktuelle Experimente nicht bewiesen, dass das System im völlig stromlosen Zustand selbstständig starten kann. Während des Testvorgangs muss der Kondensator vorgeladen und der Prozessor vorab programmiert werden. Darüber hinaus ist die Ausgangsleistung des Systems extrem niedrig und kann derzeit nur speziell entwickelte Ultra-Low-Power-Sensoren antreiben, was nicht ausreicht, um gewöhnliche elektronische Geräte wie Smartphones mit Strom zu versorgen.
Dennoch ist das Team davon überzeugt, dass dieser Erfolg eine wichtige Richtung für die Entwicklung energieautarker Sensoren in der Zukunft vorgibt. Neben der Temperaturüberwachung können ähnliche Technologien in Zukunft auch in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise bei der Produktverfolgung, der Überwachung der atmosphärischen Umgebung, dem Logistikflottenmanagement, der Bodenüberwachung, tragbaren Gesundheitsgeräten und der medizinischen Nachverfolgung.
Gleichzeitig erforschen Forscher auch die Nutzung von akustischer Energie, nichtlinearer Energie, Solarenergie, Wärmeenergie, kinetischer Energie und anderen Umweltstrahlungsquellen zur Stromerzeugung, in der Hoffnung, schließlich ein autonomes Sensorsystem zu entwickeln, das gleichzeitig Strom aus mehreren Umweltenergiequellen beziehen kann, um einen wirklich langfristigen, wartungsfreien Betrieb zu erreichen.
Relevante Forschungsergebnisse wurden im Journal of Vacuum Science and Technology veröffentlicht.
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