Erntemaschine für Strom aus Umgebungsenergie

Sensoren mit so einer Stromversorgung könnten zum Beispiel Positionsdaten von Gütercontainern erfassen und auch den Zustand der enthaltenen Ware drahtlos übermitteln. Eine weitere Anwendung könnte die automatische Überwachung schwer zugänglicher Industrieanlagen sein. Tests in den Labors der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology mit Prototypen des Energy Harvesters wurden jetzt erfolgreich abgeschlossen.

Die Technik funktioniert mit einem wenige Zentimeter langen Feder-Masse-System. Es wandelt Bewegungen unterschiedlicher Frequenz und Am¬plitude in Strom mit mehreren Milliwatt Leistung um. So kann vorhandene mechanische Energie – etwa Vibrationen eines Motors oder andere Schwingungen – effizienter als bisher genutzt werden. Derzeit verfügbare ähnliche Systeme können das nur für sehr schmale und vorher genau festgelegte Frequenz- und Amplitudenfenster. Die Entwicklung der Forscher eröffnet der Technik nun ein breiteres Anwendungsspektrum.

Die Erntemaschine nutzt gestapelte piezoelektrische Materialien, die von Siemens Corporate Technology in den 1990er Jahren als leistungsstarker Präzisionsantrieb für Einspritzventile in Fahrzeugen mitentwickelt wurden. Diese piezoelektrischen Keramiken dehnen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung aus. Mit diesem Hub arbeiten heute hochpräzise Injektoren für Kraftstoffe. Für die Technologie erhielten Siemens und Bosch 2005 den Deutschen Zukunftspreis. Diese Materialien funktionieren auch umgekehrt: Wenn sie mechanisch verformt werden, wird ein Strom erzeugt. Für den Energy Harvester wird dieser Effekt verwendet.

Der Clou der Konstruktion: Die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems passt sich durch Selbstversteifung an die veränderliche Frequenz der Umgebungsbewegung an. Das hat zwei Vorteile. So nutzt das System bereits kleine Bewegungen zur Stromerzeugung. Und die Selbstversteifung beschränkt die Auslenkung des Feder-Masse-Systems, so dass es auch durch sehr harte Stöße nicht zerstört wird.

Einer breiten Anwendung des Energy Harvesters steht prinzipiell nichts entgegen. Die piezoelektrischen Keramiken gibt es heute in großen Stückzahlen. Die Forscher wollen die Erntemaschinen nun optimieren. Sie wollen die Stromausbeute erhöhen und den Aufwand für den Zusammenbau verringern.

(RN 2011.03.5)