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Meilensteine auf dem Weg zur energieautarken Elektronik

19.09.2006
Im Gegensatz zu traditionellen Sensornetzwerken, deren Energiebedarf aus begrenzt zur Verfügung stehenden Energiespeichern wie Batterien oder Akkumulatoren gespeist wird, beziehen autarke Generatoren ihren Energiebedarf aus dem unmittelbaren Umfeld. Der besondere Charme derartiger Systeme basiert zum einen in der Wartungsfreiheit, zum anderen in der theoretisch unbegrenzten Lebensdauer. Dies wurde auf einem Workshop zum Thema „Energieautarke Sensorik“ deutlich, zu dem die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) namhafte Experten nach Karlsruhe eingeladen hatte.

Energiequellen sind in der uns vertrauten Umgebung in Form von thermischer Energie, Solarenergie oder kinetischer Energie in der Regel allgegenwärtig. Letztere kommt unter anderem durch Schwingungen zustande, die beispielsweise in Stadtwohnungen durch den fließenden Verkehr auf Gebäude übertragen werden. Dirk Spreemann vom HSG-IMIT Institut für Mikro- und Informationstechnik in Villingen-Schwenningen arbeitet an Systemen zur Konversion von Vibrationen in elektrische Energie. Dass sein Konzept noch vor zehn Jahren in die Schublade des „Perpetuum Mobile“ gefallen wäre, kann den Experten heute nicht mehr erschüttern. „Speziell kinetische Energie in Form von Schwingungen oder Stößen bietet sich zur Wandlung an, da diese in zahlreichen Anwendungen aus unterschiedlichsten Bereichen allgegenwärtig sind“, erläutert der Experte.

Die Wandlung von Vibrationsquellen in nutzbare Energie stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Quellen nur selten konstant bei exakt bekannten Frequenzen vibrieren. In Spreemanns Team ist es gelungen, eine wichtige Hürde zu nehmen. An Hand von miniaturisierten Generatoren, welche als Prototypen für künftige Energiewandler dienen, konnten erstmals elektrische Energien im Milliwatt-Bereich generiert werden, wobei die Anregung über den für technische Anwendungen besonders interessanten Niederfrequenzbereich unterhalb von 100 Hertz erfolgt.

Vom unterbrechungsfreien Anlagenbetrieb zum intelligenten Reifen

Ein weiteres interessantes Konzept wurde anlässlich des Workshops von Mitarbeitern des Lehrstuhls für Sensorik an der Universität Erlangen-Nürnberg demonstriert. Hierbei wurde aufgezeigt, wie sich die Vibrationsenergie von Flüssigkeitspumpen im Bereich der Chemieindustrie mit Hilfe piezoelektrischer Elemente in elektrische Energie verwandeln lässt. Die selbst versorgende Elektronik ist für die Störungsfrüherkennung von Flüssigkeitspumpen von größter Bedeutung, weil mit Hilfe geeigneter Sensoren der Ausfall von Maschinen verhindert werden kann und somit ein unterbrechungsfreier Betrieb der Anlagen gewährleistet wird.

Ein anderes bedeutendes Anwendungsgebiet für energieautarke mikroelektronische Systeme ist die Automobiltechnik. Dr. Gregor Kuchler von der Regensburger Siemens VDO Automotive stellte anlässlich des Workshops das Konzept eines intelligenten Reifens vor, bei dem die herkömmlichen Reifendruckkontroll-Systeme durch Integration aller elektronischen Komponenten im Reifen als komplexes mechatronisches System vorliegen. Mit diesen soll es künftig möglich sein, sämtliche relevanten Reifengrößen angefangen vom Druck bis zur Fahrbahnhaftung kontinuierlich zu überwachen und während der Fahrt zu übertragen.

Ein sensorischer Baby Body soll Plötzlichen Kindstod verhindern

Zu den medizintechnischen Highlights des Workshops gehörte unter anderem die Vorstellung eines sensorischen Baby Bodys. Durch die Nachfrage von Ärzten nach einem einfach zu handhabenden Überwachungs- und Diagnosesystem motiviert, wurde am Denkendorfer Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) ein Bady Body mit voll integrierten Sensoren für die kontinuierliche Erfassung der Parameter Atmung, Herzrate, Temperatur und Feuchtigkeit zur Überwachung von Säuglingen in der Klinik und zuhause entwickelt. Auf diese Weise soll die frühe Erkennung von potentiell lebensbedrohlichen Ereignissen wie etwa dem Plötzlichen Kindstod (SIDS) ermöglicht werden, so dass Hilfe herbeigerufen werden kann. In der Eberhard Karls Klinik der Universität Tübingen wurden Prototypen des Baby Bodys erfolgreich unter praktischen Bedingungen getestet. Auch in den Bereichen Sport- und Wellness ist die am Körper tragbare Sensorik auf dem Vormarsch. Darauf verwies Dr. Wilhelm Stork vom Institut für Technik der Informationsverarbeitung an der Universität Karlsruhe. „Voraussetzung für die breite Anwendbarkeit sind Kriterien wie geringer Energieverbrauch, Tragekomfort und einfache Anbindung an das drahtlose Netzwerk“, erläutert der Experte. Eine einfache Nutzung der Funkkommunikation lasse sich am besten durch adhoc Netzwerke realisieren.

Rolf Froböse | Rolf Froböse
Weitere Informationen:
http://www.vde.com
http://www.hsg-imit.de

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