Ein Graphen-Bauelement gewinnt Umgebungsstrahlung, um batterielose Sensoren mit Energie zu versorgen

Energie aus der Hausinstallation gewinnen

Herkömmliche drahtlose Überwachungsgeräte sind stark auf elektrochemische Batterien angewiesen, die leer werden und regelmäßig physisch ausgetauscht werden müssen. Um diese Grenzen zu überwinden, hat ein Ingenieurteam eine Innovation bei der Gewinnung von Umgebungsenergie vorgestellt, über die Interesting Engineering berichtet. Physiker und Materialwissenschaftler der University of Arkansas und der University of Michigan bauten ein Bauelement, das seinen Betriebsstrom direkt aus den Magnetfeldern bezieht, die die übliche elektrische Verkabelung in modernen Wohnungen umgeben.

Die Entwicklung ist der zweite selbstversorgte Sensor-Prototyp des Teams, nach einem früheren, solarbetriebenen Entwurf. Zusammen sind beide Einheiten Teil eines breiteren Vorstoßes, autonome Hardware zu schaffen, die drei grundlegende Maßstäbe erfüllt: Energie lokal zu gewinnen, nur Nanowatt Strom zu verbrauchen und über Jahre oder sogar Jahrzehnte unbeaufsichtigt zu arbeiten.

„Der Induktor lädt diese Kondensatoren langsam auf, aber schneller, als der Sensor die Ladung aus den Kondensatoren verbraucht“

— Paul Thibado, Physikprofessor an der University of Arizona

Wie die Schaltung aus Graphen-Induktor und Kondensatoren funktioniert

Im Zentrum des Systems steht ein Graphen-Induktor, der darauf ausgelegt ist, Energie aus umgebender elektromagnetischer Strahlung zu sammeln. Laut Paul Thibado, einem Physikprofessor an der University of Arizona, der vor fast einem Jahrzehnt begann, die Eigenschaften von Graphen zu untersuchen, gelangt die aufgefangene Energie durch eine spezielle Schaltung, in der sie in Strom umgewandelt und in Speicherkondensatoren gehalten wird, die den Temperatursensor betreiben.

Da die Schaltung die Kondensatoren schneller wieder auffüllt, als der Temperatursensor sie entlädt, bleibt die Hardware bei Unterbrechungen ununterbrochen in Betrieb. Thibado berichtete gegenüber Interesting Engineering, dass diese gespeicherte Energie den Sensor bei einem Stromausfall mindestens 24 Stunden lang versorgt, je nach Betriebsbedingungen möglicherweise sogar bis zu einer Woche.

Geringerer Wartungsaufwand und die Zukunft des selbstversorgten IoT

Durch den Verzicht auf routinemäßige Batteriewechsel bietet die Erfindung ein nachhaltiges Profil nach dem Motto „einrichten und vergessen“, das Wartungsarbeit, Betriebskosten und gefährlichen Batterieabfall deutlich reduziert. Diese Unabhängigkeit macht die Einheiten gut geeignet für Orte, an denen manuelle Wartung nicht praktikabel ist, etwa für Schiffscontainer, Umweltüberwachungssysteme für Boden und Atmosphäre, Logistikflotten, tragbare Fitnessgeräte und Gesundheitsmonitore.

Künftig wollen die Forscher mehrere Mechanismen zur Energiegewinnung in einer einzigen Einheit integrieren, wie Interesting Engineering ausführlich berichtet. Künftige Versionen sollen die Sammlung von Umgebungsstrahlung mit Systemen kombinieren, die Energie aus Sonnenlicht, Wärme, Schall und Bewegung gewinnen. Durch die Kombination verschiedener Umgebungsquellen könnten die Geräte auch dann ununterbrochen weiterlaufen, wenn eine Quelle ausfällt – ein Wegbereiter für autonome intelligente Elektronik im gesamten Internet der Dinge.

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