MicroNanoTec zeigt innovative Energy-Harvesting-Lösungen - Wie Vibrationen zur Energiequelle werden

Hannover (ots) - Elektronik in der Hosentasche, Sensoren in
Kraftfahrzeugen, Messsysteme in Produktionsanlagen oder Minicomputer
an Fahrrädern - all diese Geräte haben zwei Dinge gemeinsam: Erstens
benötigen sie Strom, um zu funktionieren. Und zweitens bekommen sie
ständig Stöße ab, werden hin- und hergeschüttelt. Diese Vibrationen
und Schwingungen liefern - richtig umgesetzt - genau die Energie, die
für den Betrieb der Geräte benötigt wird und sich direkt aus der
Umgebung "ernten" lässt. Verfahren zum "Energy Harvesting", also die
Erzeugung von Strom aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen
oder Luftströmungen, werden immer vielfältiger. Überlegungen gehen so
weit, sogar Kaubewegungen oder den Aufprall von Regentropfen
"anzuzapfen".

Neue Material- und Systementwicklungen aus dem Umfeld von Mikro-
und Nanotechnologie machen viele Ansätze spannend, die noch vor
kurzem allenfalls als Laborkuriositäten galten. Bedarf sehen
Fachleute vor allem dort, wo die klassische Energieversorgung mit
einer Batterie oder per Kabel unmöglich oder sehr aufwändig ist - wie
zum Beispiel bei Implantaten oder Sensoren im Körperinneren des
Menschen, aber auch bei Geräten und Anlagen, die zumindest in einigen
Bereichen ohne Verkabelung auskommen müssen. Dazu zählen insbesondere
Maschinen, die schnelle Bewegungen oder Drehungen um mehrere Achsen
ausführen.

Kein Wunder also, dass Energy Harvesting im Fokus der diesjährigen
MicroNanoTec 2010 steht, die vom 19. bis zum 23. April im Rahmen der
HANNOVER MESSE stattfindet. So bildet dieses Thema einen Schwerpunkt
auf dem IVAM-Produktmarkt "Mikro, Nano, Materialien", der zusammen
mit dem IVAM-Forum einen besonderen Treffpunkt im Feld der Mikro- und
Nanotechnologie darstellt. "Es gibt eine große Anwendungsbreite für
das Energie-Ernten, wobei es in der Regel um maßgeschneiderte
Lösungen geht", sagt Dr. Uwe Kleinkes, Geschäftsführer des IVAM. Eine
Schlüsselkomponente stellen Mikrogeneratoren dar, die Energie aus
Vibrationen, Stößen, Wärme und Strahlung gewinnen. Die Energy
Harvester sind in der Lage, Energie direkt am Einsatzort eines
Sensorknotens in elektrischen Strom umzuwandeln. Mit diesen
neuartigen Bauteilen lassen sich wartungsfreie drahtlose
Sensorsysteme mit theoretisch unbegrenzter Lebensdauer realisieren.
An der Entwicklung solch neuartiger Systemlösungen als Alternative zu
Batterien, Akkus und Ladegeräten arbeitet die Gruppe
"Energieeffiziente Autonome Systeme" am Institut für Mikro- und
Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT,
Villingen-Schwenningen), mit über 70 Mitarbeitern eines der weltweit
führenden Forschungsinstitute auf dem Gebiet der Mikrosystemtechnik,
in Kooperation mit industriellen Partnern aus unterschiedlichen
Branchen. "Wir fertigen Prototypen für mobile Geräte, autonome
Sensoren sowie Mess- und Regelsysteme - immer in enger Zusammenarbeit
mit unseren meist mittelständischen Kunden", erklärt Bernd Folkmer,
Leiter Energieautonome Systeme am HSG-IMIT.

Kapazitiv, induktiv und piezoelektrisch: clever Energie nutzen

Die Forschungen beschäftigen sich derzeit mit kinetischen Wandlern
auf Basis kapazitiver, induktiver und piezoelektrischer Prinzipien.
Die Spannbreite reicht von mikrotechnischen Kleinstgeneratoren mit
Abmessungen von wenigen Millimetern bis hin zu robusten Lösungen mit
einigen hundert Milliwatt Ausgangsleistung für extreme
Umgebungsbedingungen. Neben unterschiedlichen physikalischen
Wirkprinzipien für die Energiewandlung steht die Einkopplung der
Schwingungs- und Stoßenergie in das Mikrosystem im Fokus. Zusätzlich
zu klassischen schwingfähigen Systemen sind auch rotatorische,
nicht-federnde oder geregelte Harvester möglich. In den Bereichen
neuartige Ladekonzepte, Low-Power/Low-Voltage-Schaltungstechnik und
drahtlose Anbindungen arbeitet das HSG-IMIT an Lösungen für die
Automatisierungs- und Produktionstechnik, Fahrzeuge bis hin zu
Landmaschinen, Medizintechnik und Ambient Assisted Living (AAL),
Konsumprodukte sowie mobile Kleingeräte.

"Wir unternehmen große Anstrengungen, um drahtlose Sensornetzwerke
in unterschiedlichen Bereichen zu etablieren", so Fachmann Folkmer.
Zur Energieversorgung der erforderlichen Sensorknoten werden
zukunftsweisende Lösungen benötigt, denn die Betriebsdauer heutiger
Energiespeicher ist begrenzt, die Wartungskosten sind hoch und die
Entsorgung der Batterien ist aufwändig. Die Beobachtung von
Betriebszuständen und Prozessen - das so genannte "Condition
Monitoring" - gewinnt an Bedeutung, insbesondere bei der Überwachung
von Maschinen und "intelligenten" Werkzeugen in der
Fertigungstechnik. Teils müssen die Prozessdaten unter extremen
Bedingungen - beispielsweise bei der Betonverdichtung - erfasst
werden.

Zur Fertigung von Betonsteinen sind bestimmte Formen notwendig,
die die gewünschte Geometrie definieren. In diesen Formen wird der
Betonwerkstoff während des Fertigungsprozesses unter hohem Druck und
sehr starken Vibrationen verdichtet. Mit einem in die Form
integrierten kontinuierlich arbeitenden, autonomen und vernetzten
Sensorsystem werden die Prozessdaten bei der Betonverdichtung erfasst
- insbesondere das Schwingungsverhalten von Form und
Produktionsanlage, später auch Temperatur, Feuchte und andere Daten.
Dadurch werden die heutigen Formen zu systemrelevanten Komponenten in
geregelten Maschinen veredelt und tragen zu Innovationsvorteilen im
internationalen Wettbewerb und zum Plagiatsschutz bei.

Im Rahmen eines Verbundvorhabens wird ein kinetischer
Energie-Generator entwickelt, der über ein induktives Wandlerprinzip
die Vibrationskräfte zur Erzeugung elektrischer Energie nutzt, die im
Fertigungsprozess auftreten. Ein Überleben des Systems trotz extremer
Bedingungen muss sichergestellt werden. Durch Vorarbeiten der
beteiligten Partner ist anhand von Demonstratoren die Machbarkeit
eines autonomen Messsystems nachgewiesen worden. Ansätze wie diese
werden auf der MicroNanoTec für Diskussionen und neue Erkenntnisse
sorgen, Überraschungen nicht ausgeschlossen.

Originaltext: Deutsche Messe AG Hannover
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