Drahtlose Sensornetzwerke überwachen Maschinen und Anlagen in Fabriken, Autos oder Kraftwerken. Die Energie, die sie zum Übertragen der Messwerte brauchen, »ernten« sie immer öfter aus ihrer Umgebung und sind somit autark. Fraunhofer Forscher stellen auf der Messe Electronica 2012 in München einen gedruckten Thermogenerator vor, der zukünftig die Energieversorgung von Sensoren aus Temperaturunterschieden generiert.
Der Rechner gibt Alarm: Der Motor einer Maschine droht zu überhitzen. Das meldet der Thermosensor, der direkt am Motorgehäuse angebracht ist. Die Information geht an den Wartungsdienst, der sich darum kümmert, dass die Ursache gefunden wird. Sensoren gehören in Fabriken, Automobilbau und vielen anderen Bereichen zum Alltag. Sie messen Temperaturen, Feuchtigkeit oder Abnutzung, per Funk werden die Daten an Rechner übertragen und ausgelesen. Das erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der Teile – etwa ob Wartungsarbeiten oder Reparaturen anstehen. Immer häufiger kommen heute drahtlose Sensornetzwerke zum Einsatz, die kaum Energie verbrauchen und den Strom, den Sensor, Recheneinheit und Funkmodul benötigen, statt aus einer Batterie sogar direkt aus der Umgebung »ernten«. Elektrische Energie lässt sich zum Beispiel aus Wärme oder Bewegung gewinnen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen stellen auf der Messe Electronica in München (13. – 16. November) in Halle A5, Stand 121 eine gedruckten Thermogenerator vor, der exakt an die technische Oberfläche angepasst werden kann.
Überwachung mit energieautarken Sensoren
»Drahtlose Sensornetzwerk helfen dabei, sicherheitsrelevante Bauteile einfacher zu überwachen«, erklärt Dr. Volker Zöllmer, Abteilungsleiter Funktionsstrukturen, der sich am Fraunhofer IFAM mit dem Thema Energy Harvesting beschäftigt. Damit die Sensoren optimal arbeiten, müssen sie direkt auf die Oberfläche der Bauteile aufgebracht oder sogar in diese integriert werden. Die Stromversorgung erfolgt meist per Kabel oder Batterie. »Doch die begrenzte Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterien sowie das Thema Recycling sind kritische Punkte für die Anwender«, weiß Zöllmer. »Unserer Erfahrung nach definiert eine zu wechselnde Batterie das Design einer Anwendung maßgeblich mit und schränkt somit die flexible Auslegung ein«.
Damit die Sensornetzwerke sich überhaupt für eine Energieversorgung mittels Energy- Harvesting-Verfahren eignen, dürfen sie nur wenig Strom verbrauchen. Wenn die Sensoren in intelligenten Netzen nur beim Senden und Empfangen der Daten aktiv sind, wird nur noch Energie im Milliwatt-Bereich benötigt. Diese Menge können zum Beispiel Thermogeneratoren liefern, die Umgebungswärme in Strom umwandeln. Die IFAM-Forscher nutzen neue Produktionsverfahren, um solche Generatoren passgenau herzustellen.
Thermogeneratoren drucken
»Mit Generativen Fertigungsverfahren lassen sich sowohl Sensoren und Sensornetzen als auch die Elemente für die Energieernte wie zum Beispiel Thermogeneratoren produzieren: Durch das direkte Aufbringen von Strukturen aus funktionalen Materialien auf Basis von Tinten oder Pasten mittels Ink-Jet, Aerosol-Jet, Siebdruck oder Dispensverfahren können nicht nur elektrische Schaltkreise und Sensorelemente auf verschiedene Oberflächen aufgebracht werden. Es ist auch möglich, Strukturen zu erzeugen, die Energie ernten«, erläutert Zöllmer. Durch die gezielte Kombination von metallischen und thermoelektrischen Werkstoffen, die nacheinander aufgetragen werden, stellen die Forscher Strukturen her, die sich als thermoelektrische Generatoren nutzen lassen. Der große Vorteil: Die gedruckten Thermogeneratoren lassen sich exakt an die technischen Oberflächen anpassen. Das macht die Sensoren weniger störanfällig, da die Energieversorgung direkt an die jeweiligen Anforderungen adaptiert werden kann.
Ein Chip mit integrierter Sende- und Empfangseinheit auf OLED-Basis macht es möglich: Die Datenbrille mit Mikrodisplay liefert den perfekten Durchblick und spielt gleichzeitig zusätzliche Informationen in das Blickfeld des Nutzers ein. Dabei blättern die Augen durch die Menüs. Viele Branchen könnten künftig vom Klick mit dem Blick profitieren. Die neue Technologie stammt von Forschern an der Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente COMEDD in Dresden, die seit mehreren Jahren am Design von interaktiven HMDs – Head Mounted Displays – arbeiten, etwa für Datenbrillen, die auf OLED-Technologie – kurz für Organische Leuchtdioden – basieren. Ebenfalls auf der Messe zu sehen ist ein gedruckter Thermogenerator, den Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen so entwickelt haben, dass er exakt an die technische Oberfläche angepasst werden kann.
Insgesamt stellen auf der Messe electronica in München Forscher aus neun Fraunhofer-Instituten am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle A5, Stand 121 eine breite Palette von Forschungsarbeiten und -ergebnissen aus den Bereichen Sensorik, CMOS-Prozessen, Energy Harvesting, OLEDs und Mensch-Maschine-Interface vor. Beim Presserundgang zeigen wir Ihnen die wichtigsten Exponate, die von den Wissenschaftlern erklärt werden (Dauer ca. 1 Stunde). Im Anschluss können Sie bei einem kleinen Snack mit unseren Forschern über die Exponate diskutieren.
Bitte melden Sie sich bei Axel Storz unter der Telefonnummer +49 711 970-3660, Fax +49 711 970-1400, axel.storz@ipa.fraunhofer.de an, damit wir besser planen können.
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