Energiepotenzial analysieren

Mit hoher Geschwindigkeit rast der Güterzug durch die Landschaft, die Waggons rattern über die Gleise. Unsanft werden sie hin- und hergeschüttelt. Je unebener die Schienen, desto stärker fallen die Stöße aus. Diese Vibrationen liefern Energie, mit der sich elektronische Kleingeräte aufladen lassen: Beispielsweise erhalten Sensoren, die die Kühltemperatur überwachen oder GPS-Empfänger, die die Position der Waren orten, auf diese Weise Strom.

Vibrationen ersetzen Batterie
Energy Harvesting nennen Experten die zugrunde liegende Technologie, bei der aus alltäglichen Quellen wie Temperatur- und Druckunterschieden, Luftströmungen, mechanischen Bewegungen oder Vibrationen Energie gewonnen wird. Doch reicht diese tatsächlich aus, um elektronische Mikrosysteme zu versorgen? Auskunft darüber gibt der Datenlogger des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS, der ebenfalls mit an Bord ist. Dieses kompakte System analysiert und charakterisiert das nutzbare Energiepotenzial, in diesem Fall die bei der Fahrt erzeugten Schwingungen. Es misst entscheidende Parameter der Vibrationsquelle wie beispielsweise Amplitude und Frequenzspektrum der Beschleunigung. »Mit den gewonnenen Daten lassen sich Vibrationswandler wie etwa piezoelektrische Generatoren so auslegen, dass sie Sensoren, Funksendeempfänger, Tracking-Systeme und andere Kleingeräte mit geringem Stromverbrauch mit ausreichend Energie versorgen«, erläutert Dr.-Ing. Peter Spies, Gruppenleiter am IIS. »Bisherige Tracking-Systeme funktionieren nur mit Batterie. Diese müssen jedoch immer wieder ausgewechselt werden, was sehr aufwändig und kostspielig ist. Durch Energy Harvesting können wir Batterien und Kabel ersetzen«. Nicht nur Logistikprozesse lassen sich so unterstützen, die »abgeerntete« Energie kann für viele Anwendungen genutzt werden – etwa um Pulsmesser, Sensoren in Waschmaschinen und Produktionsanlagen oder Messsysteme in Autos, die den Reifendruck prüfen, aufzuladen.

Bestandteile des Datenloggers sind ein Beschleunigungssensor, ein GPS-Modul, ein Mikrocontroller, eine SD-Karte sowie eine WLAN-Schnittstelle. Der Sensor misst die Beschleunigung des Güterzugs in drei Achsen. Parallel dazu ermittelt das GPS-Modul die Position des Fahrzeugs und speichert die Daten zusammen mit den Beschleunigungswerten auf der SD-Karte. Anhand dieser Parameter lässt sich die Geschwindigkeit des Zugs und die zur Verfügung stehende Energiemenge bestimmen. »Wir können den Energiewandler dann optimal auf die Anwendung abstimmen«, sagt der Forscher.

Der Datenlogger ist bereits in Güterwaggons, Lkws und Maschinenanlagen im Einsatz. Derzeit entwickeln Spies und sein Team ein komplettes Tracking-System, das neben GSM-Modul und GPS-Empfänger einen Vibrationswandler umfasst, der mechanische in elektrische Energie konvertiert. Einen Prototyp des Datenloggers zeigen die Forscher vom IIS auf der Messe Sensor+Test 2012 vom 22. bis 24. Mai in Nürnberg in Halle 12, Stand 202.