Effiziente Systeme Künftige Nano-Systeme mit Energie versorgen

Redakteur: Gabriele Ilg

Die Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe TEG hat ein Kompetenzteam „Energieeffiziente Systeme“ eingerichtet. Anhand einer „intelligenten Kaffekanne“ beispielesweise wird gezeigt, wie bestehende und künftige Nanosysteme mit Energie versorgt werden können.

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Intelligente Sensorik meldet Füllstand ...
Intelligente Sensorik meldet Füllstand ...
( Archiv: Vogel Business Media )

„Wir können uns hohe Energieeinsparungen mit kleinen und kleinsten Systemen vorstellen. Sperrige, schwere und ineffiziente Energiespeicher wie herkömmliche Batterien werden mehr und mehr überflüssig“, erklärt Ivica Kolaric, Leiter der Abteilung Prozessengineering Funktioneller Materialien bei der TEG und definiert das Ganze als die „Integration kleinster elektronischer Komponenten in energieeffiziente Systeme“.

Für diese etwas sperrige Bezeichnung haben die TEG-Ingenieure eine anschauliche Anwendung parat: eine auf den ersten Blick handelsübliche Kaffeekanne. Die TEG-Kanne gehört allerdings zu den intelligenteren ihrer Art, denn in die Praxis umgesetzt, wüsste das Küchenpersonal z.B. während einer Tagung immer exakt, an welchem Tisch frischer Kaffe fehlt. Die Kanne selbst meldet per Funkübertragung „bald leer“ oder „Kaffee zu kalt“.

Die Technik, die dahinter steckt ist allerdings alles andere als „kalter Kaffee“, sondern eine neu entwickelte, hochsensible Sensorik, die völlig energieunabhängig arbeitet. Die elektrische Energie für ein LCD-Display und das Funkmodul bezieht die Kanne ohne Batterie direkt aus der Temperaturdifferenz zwischen Inhalt und Umgebungstemperatur.

Die Energieaufbereitung ist laut der TEG bereits ab einer Temperaturdifferenz von drei Grad Kelvin möglich. Dabei generiert ein geeigneter Thermowandler die elektrische Energie aus dem Wärmefluss. Zu dem autarken System gehören außerdem ein Sensor mit Energiemanagement, ein Low-Power-Mikrocontroller zur Auswertung der Signale und ein Funkmodul zur Kommunikation. Das Besondere dabei ist laut der TEG das so genannte Energy Harvesting: Die notwendige Schaltung, um aus der minimalen Spannung des Thermowandlers eine verwendbare Spannung zu bekommen, wurde eigens an der TEG entwickelt.

Neben der Energie aus Wärme könnten auch andere Energiequellen wie Licht oder Vibrationen herangezogen werden, was das Einsatzspektrum energieautarker Systeme nochmals erweitert.

Das zweite Thema sind ultrakleine Nanosysteme: So gibt es Aktuatoren auf Basis kleinster Carbon Nanotubes (CNT).

Den Ingenieuren ist es zwischenzeitlich auch gelungen, die Nano-Kohlenstoffröhrchen in Composit-Werkstoffe einzubauen, um damit Scheiben- oder Sitzheizungen im Automobil zu realisieren – ohne Drähte, allein durch die in der Beschichtung mitverarbeiteten CNTs. In Koproduktion mit den energiesparenden Sensoriksystemen eröffnen sich hier völlig neue Möglichkeiten. Das „Kaffekannen-Beispiel“ zeigt aber auch, dass sich dieses Prinzip für viele industrielle Prozesse einsetzen ließe: „Im Industriekontext sind Kraft, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur interessante Messgrößen.

An schwer zugänglichen Stellen oder bei beweglichen Maschinenteilen ist unsere energieautarke Sensorik und Übertragungstechnik schlichtweg konkurrenzlos“, ist Kolaric überzeugt, nennt aber auch noch andere Applikationsmöglichkeiten, z.B. in der Ventiltechnik, bei pneumatischen Systemen oder auch im Facility-Management. Die neue Art der Mikro-Sensorik sei überall dort – energieunabhängig – einsetzbar, wo Prozesse gesteuert oder überwacht werden müssen.

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