Laufschuh mit eigenem Kraftwerk

Wissenschaftler am Graduiertenkolleg „Micro Energy Harvesting“ der Albert-Ludwig-Universität forschen an Mikrosystemen, die ihre Energie aus ihrer direkten Umgebung beziehen. „Viele heutzutage verwendete Netze sind bei ihrer Kommunikation zwar durch Funkverbindungen von Drähten befreit, bei der Energieversorgung allerdings nach wie vor auf Kabel oder Batterien angewiesen“, sagt der Wissenschaftler und Sprecher des Graduiertenkollegs Peter Woias. Mit dem Konzept des „Micro Energy Harvesting“ wollen die Forscher dieses Manko beheben. So kann der Schrittzähler in einem Laufschuh von einem Mikrogenerator versorgt werden, indem die mechanische Energie verwertet, die durch das Laufen entsteht.

„Die Anwendungen, auf die wir zielen, sind kleine, verteilte Systeme, die verschiedene Aufgaben erfüllen: Sensoren für den Reifendruck in Autos, Temperaturfühler oder Sensorsysteme in Fertigungsanlagen“, meint Woias. „In einem Auto findet man durchschnittlich 40 Sensoren, in einem großen Produktionsbetrieb Tausende“, so Woias. „Micro Energy Harvesting“ ist das „Ernten“ von thermischer, mechanischer, optischer oder chemischer Energie aus der Umgebung des Systems. Dazu wird latent vorhandene Energie aus der Umgebung des Systems, beispielsweise in Form von Wärme, Vibration, Strömung, Licht oder chemischer Bindungsenergie, mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt, damit das System seine Aufgabe energieautonom erfüllen kann.

„Wir zapfen verschiedene Energiequellen an. Beim Reifendruck-Sensor wird beispielsweise die Umdrehungsenergie genutzt, bei Sensoren von Klimaanlagen wird Energie aus der Temperaturdifferenz gewonnen“, so Woias. Bei Implantaten wiederum kann Blutzucker in Energie umgesetzt werden. „Die Oberfläche eines Herzschrittmachers wird mit einer entsprechenden Bio-Brennstoffzelle überzogen, die den Zucker zu Energie macht“, sagt der Wissenschaftler. In Wohn- und Arbeitsgebäuden werden energieautonome Schalter und Sensoren den Verkabelungsaufwand deutlich reduzieren, sind die Forscher überzeugt. Ebenso wird angedacht, in Fabrikanlagen die komplexe Verkabelung der Maschinen zum Teil durch energieautonome Funksensoren zu ersetzen.

Für den energieautonomen Betrieb eines Mikrosystems reicht es allerdings nicht aus, die Batterie einfach durch einen Generator zu ersetzen. „Die Systeme müssen derart konstruiert sein, dass sie mit der geringen Energiemenge, die die Generatoren liefern, auskommen. Zudem braucht man ein funktionierendes Energiemanagement und Zwischenspeicher, um Zeiten zu überbrücken, in denen die Energiegewinnung nicht möglich ist“, betont Woias. Am Graduiertenkolleg sind derzeit 21 Mitarbeiter mit der Forschung in diesem Fachgebiet beschäftigt. Woias kann sich bereits jetzt über breite Unterstützung von Seiten der Wirtschaft freuen. Vor allem in der Autoindustrie wird die Forschung mit großem Interesse verfolgt.