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Mit der Kraft der Vibration - Energieautarke Sensorsysteme überwachen den Zustand von Güterwagen

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Manchmal muss erst etwas passieren, um beispielsweise Radschäden zu entdecken. Häufig treten diese nach einer Entgleisung ans Tageslicht, bei der möglicherweise Personen- oder Streckenschäden zu verzeichnen sind. Besonders kritisch sind solche Unfälle bei Gefahrenguttransporten, wenn es zu gravierenden Umweltschäden kommt. Daher ist es notwendig, das Risiko mit einer effizienten Zustandsüberwachung zu minimieren.

Feldtest eines energieautarken Sensors am Güterwagen

Foto: Fraunhofer LBF

In Europa ist die Instandhaltung von Güterwagen gesetzlich vorgeschrieben, und die Betriebssicherheit ist durch regelmäßige Wartungen zu gewährleisten. Die Instandhaltung reduziert Ausfallzeiten und erhöht die Wirtschaftlichkeit des Betriebs. Mit Informationen über die an einem Wagen tatsächlich auftretenden Belastungen, die Nutzung und andere Betriebsdaten lässt sich die Instandhaltung optimieren und eine zustandsbasierte Wartung einführen.

Die permanente Ermittlung solcher Daten direkt am Waggon ist im Allgemeinen nicht möglich. Güterzüge verfügen in der Regel weder über eine fahrzeugeigene Sensorik noch über eine eigene Stromversorgung, denn Eisenbahntechnik muss aufgrund der hohen Anforderungen bezüglich Vibrationen, Temperatur, Schmutz und Feuchte einfach und robust sein.

Eine Antwort können Datenerfassungssysteme sein, die drahtlos und energieautark ar-beiten. Sie ließen sich sogar nachträglich mit moderatem Aufwand nachrüsten. Im Rahmen einer Machbarkeitsuntersuchung konnten Wissenschaftler des Fraunhofer LBF zeigen, dass die am Güterwagen vorhandene Vibrationsenergie mit Hilfe eines piezoelektrischen Generators in elektrische Energie gewandelt und zur Versorgung eines drahtlosen Sensors genutzt werden kann.

Solche energieautarken Sensoren können Güterwagen während des Betriebs überwachen und ermöglichen eine frühe Schadenserkennung und eine zustandsbezogene Instandhaltung. Die Energiegewinnung aus Vibrationen zur Versorgung der Sensoren wird als Energy Harvesting bezeichnet. Die Messdatenermittlung und drahtlose Übertragung wird durch energieeffiziente Mikrocontroller-Plattformen realisiert. Wegen der zufällig auftretenden Vibrationen und der Umweltbedingungen im Bahnbetrieb stellt sich die ganzheitliche Auslegung solcher Systeme als ingenieurtechnische Herausforderung dar.

Der vom Fraunhofer LBF entwickelte und auf der InnoTrans gezeigte Sensor ist ein Funktionsmuster. Eine einsatzfertige Lösung muss hinsichtlich der hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit unter den rauen Betriebsbedingungen noch weiterentwickelt werden. Diese Arbeiten führt das Fraunhofer LBF im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme, Förderschwerpunkt „Energieautarke Mobilität – Zuverlässige energieautarke Systeme für den mobilen Menschen“ (ESZüG), weiter.

Mit dem Projekt ESZüG soll erstmals eine automatisierte und energieautarke Instandhaltungsplanung für Güterwagen realisiert werden, um damit Bremsen, Radlager und die Laufleistung der Wagen überwachen zu können. Ein Assistenzsystem soll die Wartung im Schienengüterverkehr sicherer und effizienter machen sowie Mitarbeiter von manuellen, körperlich beanspruchenden Wartungsarbeiten entlasten. Gerade ältere Mitarbeiter profitieren davon und sind so länger arbeitsfähig. Die Informationen zum Wagenzustand werden den Mitarbeitern über eine zu entwickelnde Mensch-Maschine-Schnittstelle vermittelt.

Weitere Informationen:

http://www.lbf.fraunhofer.de/de/projekte-produkte/energieautarke-sensorsysteme_z...
http://www.lbf.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/mit-der-kraft-der-vib...

Anke Zeidler-Finsel | Fraunhofer-Institut

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Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

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Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

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New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...