Wer braucht Batterien? Selbstversorgende Sensoren können Systeme vereinfachen und verbessern

Der wachsende Energiebedarf und die Frage, wie man ihn deckt, ist eines der drängendsten Probleme, mit denen die Welt konfrontiert ist. Nicht nur das Produktionsvolumen stellt eine Herausforderung dar, die angegangen werden muss, sondern auch die Art der Produktion muss nachhaltig und emissionsfrei sein. 

Wissenschaftler, Forscher, Technologen, Institutionen und Regierungsorganisationen weltweit bemühen sich, effiziente Lösungen für diese Energieherausforderung zu entwickeln. Viele erfolgreiche Versuche tragen ebenfalls zur Verbesserung der Situation bei. 

Mitten in al dem hat eine Gruppe von MIT-Forschern einen batteriefreien, selbstversorgenden Sensor entwickelt, der Energie aus der Umgebung sammeln kann. Lassen Sie uns tiefer eintauchen und verstehen, was diese Technologie bedeutet und warum sie eine bedeutende Innovation darstellt. 

Batteriefreie, selbstversorgende Sensoren von MIT-Forschern

Diese Sensoren benötigen weder wiederaufladbare noch austauschbare Batterien. Sie benötigen zudem keine Verkabelung, was ihre Platzierung an schwer zugänglichen Stellen erleichtert. Im Wesentlichen handelt es sich um temperaturempfindliche Geräte, die von der benachbarten Magnetfeldenergie um einen Draht in der Luft leben können. 

Die Installation dieser Sensoren ist so einfach wie das Anclippen an einen stromführenden Draht, beispielsweise an einen Motor. Sobald sie angeclippt sind, reicht die Installation aus, damit das Messgerät sowohl Energie ernten als auch speichern kann. Zusätzlich ist das Gerät in der Lage, die Temperatur des Motors zu überwachen sowie Daten über den Energieverbrauch und den Betrieb der Maschine über einen längeren Zeitraum zu sammeln.

Laut Daniele Monagle, dem Hauptautor der Studie, die diese Innovation hervorhebt als ein veröffentlichtes Papier in IEEE Xplore:

„Wir haben ein Beispiel für einen batterielosen Sensor bereitgestellt, der etwas Nützliches leistet, und gezeigt, dass es eine praktisch realisierbare Lösung ist. Jetzt werden hoffentlich andere unser Rahmenwerk nutzen, um die Entwicklung ihrer Sensoren in Schwung zu bringen.“

Während er über die Innovation und ihren Nutzen sprach, sagte John Donnal, außerordentlicher Professor für Waffen- und Steuerungsingenieurwesen an der United States Naval Academy: 

„Energieerntesysteme wie dieses könnten es ermöglichen, eine Vielzahl von Diagnosesensoren auf Schiffen nachzurüsten und die Gesamtkosten für Wartung erheblich zu senken.“

Die Forscher sind der Ansicht, dass diese Innovation eine wertvolle Ergänzung im Bereich der Energieerzeugung darstellt, da sie als effizientes elektronisches Energiemanagement‑Interface zwischen der Erntequelle und der Sensorlast fungiert. 

Das System zeigte während der Entwicklungsprüfungen erfolgreiche Kaltstartfähigkeiten, die diskrete Logik nutzten, wobei die durchschnittlichen Leistungssteigerungen bei bestimmten Ernte‑Spannungsbelastungsbedingungen fast 400 % erreichten. Es arbeitete unter einer hysteretischen Steuerungsmethode, die eine Sensorlast von bis zu 50 Megawatt bedienen konnte. 

Die Arbeit wurde teilweise vom Office of Naval Research und der Grainger Foundation unterstützt. Grundsätzlich könnten die Überwachungs‑ und Sensorkapazitäten dieser Geräte zahlreiche Anwendungen in der Schifffahrt finden. 

Zum Beispiel ist das Zugreifen und Überwachen von Strom auf einem Schiff schwierig, da es nur eine begrenzte Anzahl von Steckdosen gibt und strenge Beschränkungen hinsichtlich der Art der angeschlossenen Geräte gelten. 

Obwohl das Schiff erheblich davon profitieren könnte, die Vibration einer Pumpe zu messen und Echtzeitinformationen über den Zustand von Lagern und Halterungen zu erhalten, ist die Stromversorgung nachgerüsteter Sensoren mit einem investitionsintensiven Infrastrukturaufbau verbunden. Diese selbstversorgenden Sensorsysteme ermöglichen es, eine Reihe von Diagnosesensoren auf Schiffen nachzurüsten und die Wartungskosten deutlich zu senken. 

Darüber hinaus ist die Energieerzeugung dieser Sensoren nicht nur von Magnetfeldern abhängig. Sie können Energie aus Vibrationen oder Sonnenlicht gewinnen und könnten die Möglichkeit bieten, umfassende Sensornetzwerke für Fabriken, Lagerhäuser und Gewerbeflächen zu bauen, bei sehr moderaten Installations‑ und Wartungskosten. 

All diese Diskussionen über Energieerzeugung und das Entziehen der benötigten Energie aus umgebenden Magnetfeldern, Schallvibrationen oder Sonnenlicht könnten denen, die mit piezoelektrischen Materialien vertraut sind, bekannt vorkommen. Es gibt jedoch Unterschiede. 

Klicken Sie hier, um mehr über nachhaltige Energiequellen und deren Akzeptanzraten zu erfahren.

Selbstversorgende Sensoren unterscheiden sich von piezoelektrischen Materialien

Die piezoelektrischen Materialien können eine elektrische Spannung erzeugen, wenn sie Druck ausgesetzt werden. Die treibenden Faktoren hinter der Stromerzeugung können Biegen, Dehnen oder Vibrationen sein. Es ist möglich, diese Methoden der Stromerzeugung durch ein Wellenenergiegerät zu nutzen. 

Piezoelektrizität wurde auch als marine Stromerzeugungstechnologie eingesetzt. Sie unterscheidet sich jedoch von den hier besprochenen selbstversorgenden Sensorsystemen, da sie nur einen Teil des Gesamtsystems bildet. 

Das wissenschaftliche Papier , das das Energiemanagement‑Design für selbstversorgende Sensoren detailliert, zeigt, dass es drei grobe Komponenten gibt: die Erntequelle, das zentrale Energiemanagementmodul und den Sensorknoten. 

Piezoelektrität ist eine der Erntequellen. Es könnte weitere Erntequellen geben, darunter Solarzellen, CT‑MEH‑Quellen und thermoelektrische oder triboelektrische Quellen. 

Zusammenfassend ist ein selbstversorgender Sensor mehr als ein piezoelektrisches Material oder das Phänomen der Piezoelektrizität selbst. Daher finden selbstversorgende Sensoren ein breites Anwendungsspektrum. 

In den kommenden Abschnitten werden wir Unternehmen betrachten, die solche Sensoren herstellen oder einsetzen. 

#1. EnOcean: Selbstversorgende Sensoren für sichere Gebäude

Die kabellosen, selbstversorgenden Sensoren von EnOcean beziehen Energie aus dem Umgebungslicht und nutzen Solarzellen. Darüber hinaus können diese Sensoren Energie aus den kleinsten Temperaturunterschieden gewinnen. Zusätzlich zur Energieerzeugung können sie Rohdaten sammeln, die bei der Analyse und Visualisierung der Energiedynamik eines intelligenten Gebäudes helfen. Außerdem erfassen sie neben der Temperatur effizient Informationen über Luftfeuchtigkeit, Licht sowie die Nutzung von Räumen und bestimmten Bereichen eines Gebäudes.

EnOcean verfügt über eine Vielzahl von Produkten in seinem Portfolio selbstversorgender Sensoren, darunter energieerntende drahtlose Sensormodule, ultra‑niedrigleistungs‑DC/DC‑Wandler für thermische Energieerntesysteme, energieerntende magnetische Kontakt‑Sender‑Module und drahtlose Temperatursensormodule, Feuchtigkeitssensormodule und mehr. 

EnOcean positioniert STM 550 als das Flaggschiffprodukt seiner Familie selbstversorgender Sensoren. Es ist ein energieerntender drahtloser Sensor mit vielen Anwendungen in digitalisierten Gebäuden. Es ist ein Multisensor‑Produkt, das fünf verschiedene Sensoren kombiniert, die auf Magnetkontakt, Beschleunigung, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtung und Temperatur arbeiten. 

Der Sensor ist mit einer integrierten Solarzelle ausgestattet, die alle betrieblichen Energieanforderungen erfüllen kann. Selbst wenn kein Sonnenlicht verfügbar ist, sorgt die intern gespeicherte, geerntete Energie dafür, dass das System funktionsfähig bleibt. Schließlich ermöglicht die NFC‑Schnittstelle eine einfache Konfiguration und den Zugriff über einen NFC‑Reader, ein Smartphone oder ein Tablet. 

Laut einem internen von EnOcean veröffentlichten Dokument erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 21 Millionen US‑$ in FY 21 und 23,2 Millionen US‑$ in FY 22, jeweils ohne Einnahmen aus erworbenen Vermögenswerten. Für FY 23 prognostizierte das Unternehmen einen Umsatz von 35 Millionen US‑$. 

Das Unternehmen präsentierte zudem eine starke Pipeline strategischer und finanzieller Investoren, darunter Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens und Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Auf dem Weg zu einer batterielosen Zukunft

Ein weiteres Unternehmen, das intensiv daran arbeitet, die Anforderungen einer selbstversorgenden Zukunft zu erfüllen, ist ONiO. 

Sein Flaggschiffprodukt, ONiO.zero, ist ein kleiner kabelloser Mikrocontroller, der Batterien ersetzen kann. Er ist auf einem winzigen Siliziumstück aufgebaut, das die erforderliche Schaltung zur Ansammlung kleinster Energiemengen enthält. 

Dieses nanoskalige System kann Programme ausführen, sich mit externen Sensoren verbinden und drahtlos kommunizieren. Es nutzt erneuerbare Umgebungsenergie, um Mikroelektronik zu betreiben und ermöglicht ein Setup, bei dem Nutzer RF‑, Solar‑ und thermoelektrische Energie zu ihrem Vorteil nutzen können. 

ONiO.Zero versorgt viele Mikrocontroller‑Geräte, einschließlich einer batterielosen Fernbedienung, mit Strom. Beim Betrieb der Fernbedienung implementiert ONiO.zero eine stromsparende PDM‑Schnittstelle zum Anschluss von Niedrigenergie‑Mikrofonen. Diese Schnittstelle unterstützt Abtastraten von 300 kHz bis 12 MHz, mit zusätzlicher Unterstützung für fraktionale Bitraten. Darüber hinaus bedeutet die Integration einer kapazitiven Touch‑Engine, dass die Fernbedienung keinen internen Oszillator für den Betrieb benötigt und vollständig selbstgetaktet ist. Dieses Design ermöglicht einen extrem niedrigen Stromverbrauch und das asynchrone Aufwecken des restlichen Systems. Zudem ist der ultra‑niedrig‑leistungs‑Oszillator so konzipiert, dass jeder Tastendruck, von insgesamt 64 Tasten, die CPU wecken kann. 

Im Juli 2023 stellte ONiO seine batterielosen elektronischen Regaletiketten vor. Diese sind zu 100 % selbstversorgend und benötigen keinerlei Batterien. Traditionelle Regaletiketten verwenden jeweils zwei Münz‑Batterien, und ein durchschnittlicher Convenience‑Store verwendet fast 6.000 dieser Etiketten, was zu einer häufigen Entsorgung von fast 12.000 Münz‑Zellen in Ozeane und Deponien pro Laden führt. 

ONiOs selbstversorgende, batterielose elektronische Regaletiketten können unseren Planeten vor dem toxischen Abfall schützen, der durch Millionen von Batterien entsteht. 

Das Unternehmen schloss seine Pre‑Seed‑, Seed‑ und Bridge‑Finanzierungsrunden in den Jahren 2017, 2018 und 2021 ab und soll bis 2024 die Series A abschließen. Die neuesten verfügbaren Finanzierungsdaten deuten darauf hin, dass das Unternehmen fast 2,5 Millionen Euro als Zuschuss vom Europäischen Innovationsrat im Mai 2020 eingeworben hat. 

#3. Clarity Movement Co.: Nutzung von Luftsensing‑Technologie, um die Clean‑Air‑Bewegung anzuführen

Mit Sitz in Berkeley, Kalifornien, USA, bietet Clarity Movement Co. sein Flaggschiff‑Partikel‑ und Stickstoffdioxid‑Messgerät namens Clarity Node‑S an. Es ist eine selbstversorgende Lösung, die FCC/CE‑Zertifizierung erhalten hat. Im Kern ist es ein IoT‑Luftqualitäts‑Überwachungssystem, das nach den Prinzipien der Solarenergieerzeugung arbeitet. 

Es verfügt zudem über modernste Datenmanagement‑Funktionen, die an jedes Projekt‑Volumen angepasst werden können. Neben der Messung von PM2,5 und Stickstoffdioxid dient Clarity Node‑S auch als Plattform zur Messung von Wind, Schwarzem Kohlenstoff und Ozon. Sein benutzerfreundliches Dashboard bietet Luftqualitätsmessungen und Netzwerkstatusdaten auf möglichst zugängliche Weise. 

Clarity Movement hat bisher insgesamt fünf Finanzierungsrunden durchgeführt, wobei die letzte Series A am 24. Juli 2022 stattfand. Berichten zufolge wurden in dieser Runde 9,6 Millionen US‑$ an Mitteln eingeworben. 

Abgesehen von den Unternehmen, die batterielose, selbstversorgende Sensorlösungen herstellen, gibt es Anwendungsbereiche, die deren Machbarkeit untersuchen und entsprechende Entwicklungen vorantreiben. 

Von der Gesundheitsversorgung bis zu intelligenten Gebäudesystemen: Der Einsatz selbstversorgender Sensoren

Sensoren finden Anwendung in der Gesundheitsversorgung, der Wearable‑Industrie, im Bereich persönlicher Elektronik, in Autos, Gebäuden, Lebensmittelüberwachung, Robotik, Umweltmonitoring und mehr. Die Vorteile von Sensoren wurden durch selbstversorgende Sensoren weiter verstärkt. 

Jetzt gibt es Entwicklungen, die maschinelles Lernen in selbstversorgende Sensorsysteme integrieren. Experten glauben, dass die Kombination von selbstversorgenden Sensoren mit ML‑Fähigkeiten Wege für eine großflächige Implementierung des Internets der Dinge eröffnen wird. 

Erfolgreiche Forschungen wurden im Bereich selbstversorgender drahtloser optischer Übertragung für drahtlose Druckerkennung durchgeführt. Die Wissenschaft hat zudem die Entwicklung von 3D‑gedruckten elastomeren Metall‑Kern‑triboelektrischen Armbändern, Tremor‑Sensoren für Parkinson, intelligenten Socken und intelligenten Fahrerassistenzsystemen erlebt – all das arbeitet daran, selbstversorgende Sensoren zu nutzen. 

Im Bereich Gesundheits‑ und biomedizinischer Anwendungen sind hybride Sensoren mit ML‑Techniken entstanden, die biomechanische Energie, die durch menschliche Bewegungen erzeugt wird, erkennen können. Diese Sensoren versorgen Bein‑Rehabilitationsgeräte mit Strom und unterstützen on‑skin‑ausgelöste biomechanische Bewegungs‑ und multifunktionale Druck‑ sowie Gestenerkennungslösungen. 

Der Weg in die Zukunft für eine batteriefreie, selbstversorgende Zukunft

Einer der Bereiche, in denen selbstversorgende, batterielose Sensoren enorm helfen werden, ist die globale Skalierung des IoT. Schätzungen zufolge erfordert die potenzielle großflächige IoT‑Implementierung den täglichen Austausch von eine Milliarde Batterien. Energieerntetechniken werden dabei definitiv unterstützen. 

Allerdings kann die Zukunft selbstversorgender Sensoren ihr volles Potenzial nur erreichen, wenn sie einige Engpässe löst. Der Elektronikbereich muss bereit sein, kleine Stromerzeugungsmodalitäten, die durch Energieerntetechniken entstehen, effizient zu akzeptieren und zu nutzen. 

Die Welt muss Fortschritte bei der Entwicklung elektronischer Geräte sehen, die mit geringer aktiver Verarbeitungsleistung effizient arbeiten können. Die Oberflächenladung, die durch Kontakt‑Elektrifizierung entsteht, muss erhöht werden, um ausreichend Energie zu ernten, die unsere Alltags‑Elektronikgeräte betreiben kann. Für den erfolgreichen Einsatz bei der Erkennung menschlicher Bewegungen wird zudem ein effektives Management der verfügbaren Daten eine entscheidende Rolle spielen. 

Wenn diese Herausforderungen angemessen adressiert werden, können selbstversorgende Sensoren einen großen Beitrag dazu leisten, Systeme, die wir täglich nutzen, zu vereinfachen und zu verbessern. Sie werden den Weg für Energie ebnen, die den geringsten CO₂‑Fußabdruck hat und von Grund auf nachhaltig ist.