allTEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

 

Das Verborgene sehen wir letztendlich, beim völlig Offensichtlichen dauert es anscheinend etwas länger.

Edward R. Murro

 

Die Zeit wird kommen, wo unsere Nachkommen sich wundern, daß wir so offenbare Dinge nicht gewußt haben.

Seneca

 

Den Ausspruch „alles ist Energie“ hat wohl jeder Mensch schon einmal gehört – sei es in Verbindung mit physikalischen Theorien von atomaren Strukturen bis hin zu Quantenzuständen, oder sei es in Bezug auf kosmische oder esoterische Sichtweisen der Realität(en)...

Von einer Umsetzung dieser Erkenntnis war jahrzehntelang aber nichts zu bemerken. Jedenfalls nicht in der akademischen Welt der Wissenschaft. Und Außenseiter hatten kaum eine Chance angehört zu werden – geschweige denn, daß sich jemand ernstlich mit ihren Vorschlägen befaßt hätte, neuartige Energiewandler zu untersuchen die sich aus bislang nicht definierten Quellen speisen. Und so dauerte es lange Jahre bis endlich anerkannt wurde, daß es tatsächlich noch viele neue Reservoirs gibt, von denen bisher niemand etwas geahnt hatte. Und daß sogar immer noch weitere entdeckt werden...

Als Initialzündung für ein Forschungsgebiet, das blumig als Energy-Harvesting (Energie-Ernten) bezeichnet wird, gilt die Entwicklung des inzwischen legendären Joggingschuhs von Joe Paradiso, einem Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im amerikanischen Cambridge.

Ende der 1990er präsentiert Paradiso ein gewöhnliches Laufmodell, das bei jedem Schritt einen schwachen elektrischen Puls durch die Sohle jagt. Die ins Gummi eingearbeiteten piezoelektrischen Keramiken geben, wenn man sie verformt, genügend Energie ab um z.B. einen kleinen GPS-Navigationssender zu betreiben. Der Schuh wird zwar nie bis zum Serienprodukt weiterentwickelt, doch andere übernehmen die Idee und machen weiter. Ich habe darüber bereits im Kapitel Muskelkraft berichtet.

In der Industrie und in der Gebäudetechnik spricht man dagegen nicht von Energy-Harvesting, sondern etwas nüchterner von energieautarken Systemen.

Und natürlich gibt es auch hier Vorläufer: Diverse Umsetzungen von verblüffender Nachhaltigkeit beweisen, daß unsere Vorfahren anscheinend intelligenter waren als die nachfolgenden Generationen, die sich vom ‚billigen Öl’, ‚sauberen Atomstrom’ und ähnlichen Märchen haben blenden lassen...

Der Piezo-Effekt wird beispielsweise schon 1880 entdeckt: Bei bestimmten Materialien – zumeist Kristallen – bildet sich eine elektrische Spannung wenn man sie verformt. Inzwischen wird dieser Effekt in zahlreichen Geräten genutzt, z.B. in Tintenstrahldruckern, Quarzuhren oder elektrischen Feuerzeugen.

Es gibt jedoch zahlreiche noch weitere Effekte, die eine Energieausbeute erlauben. Dazu eine kleine Geschichte zur Nutzung des atmosphärischen Luftdrucks zum Betrieb von Uhrwerken.

Als erstes gelingt es dem französischen Uhrmacher Le Plat im Jahre 1751 die Luft als Antrieb zu gebrauchen, wobei er Zugluft mittels eines großen Schaufelrades ausnutzt - während der englische Automatenbauer James Cox zusammen mit Jean-Joseph Merlin ab 1770 die Luftdruckschwankungen als Antrieb für eine Bodenstanduhr nutzt.

Die erste rein durch den Luftdruck betriebene Uhr gelingt rund einhundert Jahre später dem österreichischen Ingenier Friedrich Ritter von Lössl. 1880 wird die erste von Lössl angefertigte autodynamische Uhr im Wiener Cottagegarten aufgestellt. Die Werke und Aufzugsvorrichtungen seiner Uhren sind bald so ausgefeilt, daß er über Jahrzehnte hinweg ihre Betriebssicherheit garantiert.

Die sich selbst durch die Luftdruckschwankungen aufziehende Lössl-Uhr auf dem Foto stand bis 1894 in Wien, mußte dann aber dem Stadtbahn-Bau am Währingergürtel weichen. Lössl schenkte sie daraufhin 1897 der Gemeinde Aussee (heute Bad Aussee), wo sie heute noch steht – inzwischen wird sie allerdings elektrisch betrieben.

Der Schweizer Ingenieur Jean-Léon Reutter entwickelt 1928 die ersten Prototypen einer Tischuhr, die ihre Energie aus kleinsten atmosphärischen Veränderungen schöpft, und erhält bereits ein Jahr später ein französisches Patent darauf. Im Gegensatz zu den rein mit Umgebungsluft funktionierenden Lössl-Uhr verwendet Reutter als Arbeitsmittel für seine Uhr ein Flüssigkeitsgemisch, das ebenso auf Temperatur- wie auch auf Luftdruckschwankungen reagiert. Weitere Konstrukteure, die an dem Konzept weitergerabeitet haben sind C. Paganini und T. Dieden.

Antoine LeCoultre eröffnete seinen ersten Uhrenladen in Le Sentier im Jahr 1833 - doch mit der genialen Erfindung Reutters, schon minimale Temperaturunterschiede dienstbar zu machen, profiliert sich die Genfer Uhrenmanufaktur Jaeger Le Coultre noch heute - beispielsweise mit der Tischuhr Atmos. Diese Technik kann als eine der ersten Umsetzungen auf dem Feld des Energy-Harvesting betrachtet werden.

Die anfänglichen Entwürfe arbeiten noch mit der Ausdehnung einer Quecksilbersäule, später wird ein Gasgemisch eingestzt. In den 1930er Jahren übernimmt Jaeger LeCoultre den Entwurf von Reutter, patentiert die Uhr und baut sie seitdem in Serie. Heute verwendet man bei Jaeger LeCoultre Äthylchlorid, das bereits bei 12°C verdampft. Das Geheimnis liegt in den Stoffwerten des Arbeitsmittels, das Ärzten auch als Anästhetikum bekannt ist.

Die Technologie ist an sich recht einfach: In einer Druckdose befindet sich ein Gasgemisch, das sich bei steigender Temperatur ausdehnt und bei sinkenden Temperaturen zusammenzieht. Diese Bewegung wird ausgenutzt, um die Antriebsfeder der Uhr aufzuziehen. Da es diese Schwankung schon zwischen Tag und Nacht gibt, kommt die Uhr ohne jede Batterie und ohne jedes Aufziehen aus. Ihr genügt ein Temperaturunterschied von nur 1°C um 48 Stunden lang zu funktionieren.

Standuhr Atmos Classique

Atmos Classique

Das wirklich geniale an der Atmos-Uhr ist aber, daß man sie kaufen kann, daß sie funktioniert und daß sie außerdem noch zwei gemeinhin als gültig erscheinende Annahmen widerlegt, erstens, daß die Umwandelbarkeit der Wärme in Arbeit unabhängig von Stoffeigenschaften sein soll, und zweitens, daß eine Maschine, die aus der Wärme der Umgebung Arbeit gewinnt – also ein Perpetuum mobile zweiter Art – unmöglich sei.

Thermodynamisch gesehen ist zwar nur ein Perpetuum mobile erster Art unmöglich, aber die langjährige Existenz eines Perpetuum mobile zweiter Art erstaunt zumindest. In dem Moment jedoch, in welchem das Reservoir der genutzten Energie bekannt ist, kann man auch getrost auf derart irreführende Bezeichnungen verzichten – denn die Energiequelle der Atmos-Uhren liegt ja im wahrsten Sinne des Wortes in der Luft.

Da diese Uhr in der Schweiz einen großen symbolischen Wert besitzt und als Aushängeschild für die andauernde Funktion und exakte Präzision eines schweizer Uhrwerks dient, wird sie von der Schweizer Regierung noch heute an Staatsgäste und Prominente verschenkt.

Ein weiterer, fast schon vergessener Ahnherr des Energie-Erntens ist der estnische Ingenieur und Erfinder Hermann Plauson, der sich mit der Stromversorgung aus atmosphärischer Elektrizität beschäftigt hat. Während der Weimarer Republik der 1920er Jahre ist er Leiter des Otto Traun Forschungslaboratoriums in Hamburg. In seinem US-Patent Nr. 1.540.998 beschreibt er die Methoden zur Umwandlung statischer Elektrizität in kontinuierliche Stromimpulse, außerdem baut er einen elektrostatischen Generator. 1920 veröffentlicht  Plauson ein Buch mit dem Titel ‚Gewinnung und Verwertung der atmosphärischen Elektrizität’.

Andere zeitgenössische Forscher im Bereich der atmosphärischen Elektrizität sind Walter Pennock und M. W. Dewey in den USA, Andor Palencsar in Ungarn und Dr. Heinrich Rudolph in Deutschland. Charles Hippolyte Vion aus Paris scheint ihnen allen jedoch zuvor gekommen zu sein, denn seine Vorschläge datieren bereits aus den 1850er und 1860er Jahren. Und erst in den 1970er Jahren beschäftigt sich Dr. Oleg Jefimenko weiter mit dieser Technologie, ab 1997 dann auch das Unternehmen Meridian International Research.

Inzwischen gibt es schon eine ganze Reihe von Produkten aus der Sparte des Energy-Harvesting. Hierzu ein Beispiel:

Im Jahr 2001 wird als Spin-off der Siemens AG die EnOcean GmbH gegründet, mit Sitz in Oberhaching bei München, die eine wartungsfreie und flexible ‚batterielose Funksensorik’ entwickelt und vermarktet. Die Grundidee beruht auf einer einfachen Beobachtung: Wenn Sensoren Meßwerte erfassen, ändert sich dabei auch immer der Energiezustand. Wird ein Schalter gedrückt, oder ändert sich die Temperatur oder variiert die Beleuchtungsstärke, dann wird dadurch stets genug Energie erzeugt, um Funksignale über eine Entfernung von bis zu 300 m zu senden.

Diese Technologien werden inzwischen auch unter dem Stichwort ‚Low-power design’ vermarktet. Ich werde später weitere Beispiele und Umsetzungen präsentieren.

Über das immense Energiereservoir der Umgebungswärme, welche oftmals als Anergie bezeichnet wird – im Sinne von Abfallenergie oder (bislang!) nicht nutzbarer Energie –, habe ich schon in den Teilen A und B berichtet. Im Kapitel Wärmeenergie dieses Teiles C werden außerdem diverse Methoden vorgestellt, wie man mit geringen Temperaturunterschieden trotzdem wirkungsvoll Nutzenergie bzw. Exergie bereitstellen kann. In Bezug auf das Energy-Harvesting werde ich den aktuellen Stand der Technik weiter unten vorstellen.

Seitdem es nun diesen übergeordneten Fachbegriff gibt, geht alles schon sehr viel schneller voran. Erstmals wird (ernsthaft) davon ausgegangen, daß es tatsächlich eine Überfülle unterschiedlichster und nutzbarer Energieformen um uns herum gibt.

Mit Förderung der DFG und Industriepartnern nimmt am 1. Oktober 2006 an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg das neue Graduiertenkolleg Micro Energy Harvesting seine Tätigkeit auf, als deutschlandweit erstes großes Forschungsvorhaben zum Thema Energy Harvesting. Sein Ziel ist die systematische Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Energiewandlung, Energiespeicherung und -verteilung für autonome Mikrosysteme.

Neun Professoren und vier Nachwuchswissenschaftler aus dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) werden gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (FhG-ISE), als assoziierter Partner, zukünftig Forschungsarbeit leisten, wobei 16 DFG-finanzierte Stipendien sowie ein wissenschaftlicher Koordinator zur Verfügung stehen. Der Etat beträgt 2,4 Mio. € über 4,5 Jahre Laufzeit. Weitere 5 Industriestipendien stammen vom Forum für Angewandte Mikrosystemtechnik (FAM) sowie von überregionalen Industrieunternehmen.

Für die Wissenschaftler stellt das ‚Ernten’ von thermischer, mechanischer, optischer oder chemischer Energie aus der Umgebung eines Mikrosystems ein neues, hochinnovatives und aussichtsreiches Konzept dar, um verteilte Systeme ohne Stromkabel oder Batterien mit Energie zu versorgen. Diese dezentralisierten Mikrosysteme verbreiten sich im Moment in rasch wachsender Zahl in unterschiedlichen Bereichen. Im Kraftfahrzeug z.B. erfaßt eine große Zahl von Sensoren den Reifendruck, die Öltemperatur und wichtige Motorkennzahlen. In der Medizintechnik sind portable und implantierte Meßsysteme für Blutdruck, Puls oder Blutzuckergehalt im Einsatz. Verteilte Sensor- und Aktorsysteme der Gebäudetechnik bestimmen Temperatur, Feuchte, CO2-Gehalt und Beleuchtungsstärke, sie steuern Licht-, Heizungs- und Klimatechnik. In der Produktionstechnik kontrollieren Netzwerke von Sensoren und Aktoren den Ablauf  der Fertigungsverfahren.

Der Einsatz von Mikrosystemen erfordert zuverlässige, technisch einfache und langlebige Energieversorgungsmethoden, die außerdem eine vollständige Wartungsfreiheit aufweisen müssen.

Wie wichtig die Sparte schon nach wenigen Jahren geworden ist zeigt der Preis einer entsprechenden Studie vom Februar 2009. Für die detaillierte Informationen über ‚Energy Harvesting, Micro Batteries and Power Management ICs: Competitive Environment’ verlangt die irische Firma Research and Markets den stolzen Preis von 1.593 € (!)

Im Folgenden präsentiere ich den aktuellen Stand der Forschungen auf diesem zukunftsträchtigen Sektor samt seinen verschiedenen Umsetzungsformen. Im Zuge der Updates habe ich mich für eine alphabetische Reihenfolge entschieden, auch wenn dies in einigen Fällen zu Überlappungen zwischen den spezifischen Umsetzungen führt. Im Einzelnen geht es um folgende Themen bzw. Umsetzungsbereiche:

Biomasse
Elektrostatik
Funkwellen
Licht und Infrarot
Ph-Wert
Piezoelektrizität
Piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte
Regentropfen
Schall
Stoßdämpfer
Straßengeneratoren
Strömungen
Verdunstungsgenerator
Vibration
Wärme
Weitere Technologien


Biomasse

Schlamm-betriebene Soil Lamp

Soil Lamp


Noch am ähnlichsten zu unserem bisherigen Verhalten, die Arbeit einer Quintillionen-Population von Bakterien zu nutzen (in landwirtschaftlichen Böden bis in unseren eigenen Körpern), funktioniert die im November 2008 bekannt gewordene LED-Tischleuchte ,Soil Lamp’ der dänischen Designerin Marieke Staps. Diese Lampe wird ausschließlich mit Schlamm betrieben – bzw. mit der Elektrizität des biologischen Lebens innerhalb des Schlammes. Der Strom wird mittels einer Kupfer- und einer Zinkelektrode abgegriffen, und als einziger ‚Betriebsstoff’ muß dem Schlamm von Zeit zu Zeit etwas Wasser hinzugefügt werden.

Im Oktober 2009 meldet die Presse, daß ein Team der Universität Harvard eine mikrobielle Brennstoffzellenbatterie entwickelt hat, die ausschließlich mit Bodenbakterien betrieben wird. Die seit 2008 laufenden Tests in Tanzania haben bewiesen, daß die Energieausbeute hoch genug ist um ein Handy zu laden oder LED’s zu betreiben. Die microbial fuel cell (MFC) besteht aus einem Plastik-Eimer, einer Anode aus Graphit-Stoff, einer Hühnerdraht-Kathode, mit Gülle vermischtem Schlamm, einer Sandschicht als Ionen-Barriere sowie Salzwasser als Elektrolyt.

Im Sommer 2009 startet die Firma Lebone, eine Ausgründung des Harvard-Teams, ein Pilotprojekt in Namibia, wo 100 MFCs im Boden eingegraben werden, um mehrere Monate lang Strom an Familien zu liefern, die keinen Zugang zum Elektrizitätsnetz haben. Das System ist für die Entwicklungsländer ideal, weil die MFCs billig zu produzieren, einfach gemacht und umweltfreundlich sind. Das US-Magazin Popular Mechanics wählt die MFC daraufhin als eine der 10. brillantesten Innovationen des Jahres 2009.

Im Rahmen eines anderen Projektes wird der Begriff Biomasse etwas weiter gefaßt, denn hier sollen energieautarke Roboter für militärische und zivile Zwecke entwickelt werden, welche die Biomasse ebenso verwerten können wie konventionelle Treibstoffe. Die Roboter-Plattform soll sozusagen als Allesfresser agieren und – inspiriert von biologischen Organismen – selbst auf ‚Futtersuche’ gehen und sich verlorene Energie aus der Vegetation in der Umgebung zurückholen.

EATR Grafik

EATR (Grafik)

Das Unternehmen Robot Technology konzipiert den ‚Energetically Autonomous Tactical Robot’ (EATR) bereits im Jahr 2003, doch so richtig voran kommt das Projekt erst 2008, als die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in die Förderung einsteigt und die Entwicklung einer externen Hybrid-Verbrennungsmaschine durch die Firma Cyclone Power Technology finanziert. Mittels dieser sollen dann die Akkus nachgeladen werden, die den Roboter in Betrieb halten.

An der Entwicklung von EATR beteiligt ist auch das Intelligent Systems Laboratory der University of Maryland. Einer Musterrechnung zufolge kann EATR aus 1,5 – 5 kg Holz oder Pflanzen eine Kilowattstunde erzeugen, was eine Fahrstrecke von 3 – 12 km erlaubt. In der nächsten Phase des Projekts geht es vor allem um die Fähigkeit von EATR, Biomasse-Energiequellen von Stoffen zu unterscheiden, die keine Energie liefern, sie richtig zu verarbeiten, die Biomasse aufzunehmen und aus ihr elektrische Energie für die verschiedenen Subsysteme zu erzeugen. Die kommerzielle Nutzung des Projekts zielt auf einsatzfähige EATR-Systeme für militärische und zivile Anwendungen, z.B. in der Land- und Forstwirtschaft.

Einen Vorläufer von 2004 bildet ein autonomer Miniroboter, der sich ebenfalls selbst mit Treibstoff versorgt. Der ‚Ecobot II’, eine Entwicklung des Intelligent Autonomous Systems Laboratory der Universität von West England (neuer Name: Bristol Robotics Laboratory), soll sich über eine mikrobielle Brennstoffzelle selbst mit Treibstoff und Energie versorgen. Die Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in dem organischen Material (Fliegen, Käfer, Pflanzen usw.) enthaltene Energie in Elektrizität um. Bereits im Versuchsaufbau reicht das aus, um eine Maschine mit dem Gewicht von 1 kg im Zeitlupentempo zu bewegen.

Project Nomad Grafik

Project Nomad (Grafik)

Zur gleichen Zeit arbeiten Prof. Ismet Gursul und sein Wissenschaftlerteam von der Universität Bath daran, ein rund 15 cm langes Flugzeug zu konstruieren, das seinen eigenen Treibstoff ‚fängt’ und daher autonom über längere Zeit agieren kann, ohne Auftanken oder Batteriewechsel. Wie Vögel und Insekten soll sich das Mikro-Flugzeug selbst mit Nahrung versorgen.

Zu welchen Design-Ideen derartige Entwicklungen führen können beweist das ,Project Nomad’ von Jason Battersby. Der Design-Student am schwedischen Umea Institute of Design schlägt im Rahmen eines Seminars ‚The Ultimate Driving Experience’ im November 2009 ein künstliches Reittier vor, das mittels GPS-Empfänger auch selbständig nach Vegetation Ausschau halten kann, um sich dort aus der Nahrung Bio-Sprit für seinen Motor herzustellen.


Elektrostatik


Der Aufbau elektrostatischer Wandler ist sehr einfach: Vor einer festen Elektrode liegt eine dünne leitende isolierte Folie als Gegenelektrode. Als schwingende Membran bestimmt sie die Eigenfrequenz, die sich wegen ihrer geringen Masse relativ hoch auslegen läßt.

An elektrostatischen Wandlern arbeiten 2003 T. Sterken et al. am IMEC der Universiät Leuven (2 mm3, 12 nW bei 1 kHz), 2006 E. Yeatman et al. (3 cm2, 2,4 mW bei 20 Hz) und 2007 G. Despesse et al. am LETI – MINATEC (1 cm2, 12 μW bei 50 Hz).

Eine bekannte Umsetzung dieses Prinzips ist das Kondensatormikrofon, ein elektroakustischer Wandler, der Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse wandelt.

Im November 2008 präsentiert die japanische Firma Omron Corp. den Prototyp eines winzigen Generators, der aus Schwingungen Strom erzeugt. Aufgrund seiner einfachen Struktur soll der Vibrations-Ernter für einen Preis um 10 $ auf den Markt kommen. Bei einer Inputs-Frequenz von 20 Hz sollen 10 μW Strom erzeugt werden, die über eine Zeitspanne von einigen Dutzend Sekunden bis einigen Minuten in einem Kondensator kulminiert werden, der anschließend drahtlose Sensoren und Kommunikationsgeräte betreibt.

Omron-Generator

Omron-Generator

Der Omron-Generator arbeitet mit einem Elektret-Stromerzeugungssystem, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der relativen Position der sich gegenüberliegenden Elektroden verändert, wobei jede Änderung einen elektrischen Stromfluß erzeugt. Die Maße des Prototyps betragen 20 x 20 x 8 mm. Die nächste Generation, die bereits in der Entwicklung ist, wird eine Höhe von nur 4 mm haben.

Ein Elektret kann als elektrostatisches Analogon zum Permanentmagneten betrachtet werden. Bei Omron wird der Elektret CYTOP eingesetzt, ein flüssiges Polymer-Material der Firma Asahi Glass Co. Ltd.

Eine andere Form ‚statischer’ Energie entdecken amerikanische und deutsche Physiker an der amerikanischen Yale Universität unter der Leitung von Jack Harris, die ihre Ergebnisse im Oktober 2009 veröffentlichen. Die theoretischen Vorhersagen gehen auf eine 15 Jahre alte Doktorarbeit von Felix von Oppen zurück, der am Dahlem Center for Complex Quantum Systems an der FU Berlin forscht.

Seit den Anfängen der Quantenphysik in den 1920er und 1930er Jahren wurde immer wieder vermutet, daß in winzigen Metallringen mit einem Durchmesser von etwa einem Mikrometer elektrische ‚Dauerströme’ fließen können. Diese Ströme sind zwar klein, existieren aber dauerhaft auch ohne angelegte Spannung. Experimentelle Nachweise zu erbringen erwies sich jedoch als äußerst schwierig. Nach langjähriger Optimierung gelingt es nun mit Hilfe eines Nanokantilevers - einer Art schwingendem Miniatursprungbrett -, die Dauerströme viel präziser als bisher nachzuweisen und zu vermessen. Dabei werden die Metallringe auf die Spitze des Nanokantilevers aufgebracht. Der in den Ringen fließende Strom führt zu einer magnetischen Kraft auf diesen und kann so mittels der dadurch veränderten Schwingungen des ‚Sprungbretts’ nachgewiesen werden.

Die tatsächliche Existenz der Dauerströme ist auch für Fachleute überraschend, da sie in gewöhnlichen, nicht supraleitenden Metallen auftreten, in denen gemeinhin Ströme aufgrund des elektrischen Widerstands nur bei angelegter Spannung fließen können. Die gemessenen Dauerströme beruhen auf einem Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung von Elektronen in Metallen beeinflußt. Letztlich kann man sie sich als Ausdruck derselben Bewegung vorstellen, die es den Elektronen im Atom erlaubt, unaufhörlich um den Atomkern zu kreisen.

Bislang ist allerdings unklar, ob sich diese Ströme auch im Bereich des Micro Energy Harvesting nutzen lassen. Bislang werden neue Einsichten in das Verhalten von Elektronen in Metallen erwartet, deren Resultate bei der Entwicklung neuer Supraleiter sowie Qubits dienen könnten, den Bausteinen eines zukünftigen Quantencomputers.


Funkwellen


Francis C. Jenkins, ein berühmter amerikanischer Film-, Rundfunk- und Fernseherfinder baut bereits 1926 einen winzigen ‚Radio-Motor’ von fast mikroskopischer Größe. Die Trägerwelle eines lokalen Senders reicht aus, um ihn in rege Rotation zu versetzen.

Eine fast vergessene Technik, die ebenfalls die Energie der Trägerwelle von Rundfunksignalen zu ihrem Betrieb nutzt, bildet der seit 100 Jahre bekannte, batterielose Detektorempfänger (auch: Kristall-Radio oder Kristall-Detektor).

Im Oktober 2006 beginnt man am Oak Ridge National Laboratory, die Nutzung von Funkwellen für den autonomen Betrieb elektronischer Kleingeräte zu untersuchen. Die Tests bestätigen, daß die Energie der Radio- und Fernsehsignale erlaubt, zwischen einigen Hundert Mikrowatt und einigen Hundert Milliwatt drahtlosen Strom zu ‚ernten’, je nach Entfernung und Stärke des Senders.

Funkwellen-Harvester  von Intel

Intel-Harvester

Inzwischen involvieren sich auch die großen Unternehmen. Anfang 2009 erklärt der Chip-Hersteller Intel, daß man künftig Handys, Notebooks und andere Mobilgeräte mit quasi unendlicher Akkulaufzeit ausstatten will, indem man sie mit Chips bestückt, die Energie aus ihrer Umwelt beziehen. Als Beispiele für die unterschiedlichen Energiequellen werden Körperwärme und Bewegungsenergie des Nutzers, Solarzellen, die gleichzeitig als Display dienen und/oder elektromagnetische Wellen, wie sie etwa TV-Sender erzeugen, genannt.

Die Forscher des Unternehmens stellen gemeinsam mit der Universtität von Washington in Seattle eine markttypische, kleine Wetterstation für Haushalte vor, die samt LCD-Display komplett durch die Energie der Funksignale des 4,1 km entfernten KING-TV Fernsehsendeturms betrieben wird. Die Station sendet ihr Signal auf Kanal 48 zwischen 674 und 680 MHz mit einer effektiven Sendeleistung (ERP) von 960 KW. Die einfache UHF-Fernsehantenne ‚zapft’ davon eine Leistung von 60 Mikrowatt ab.

Intel beschäftigt sich seit einiger Zeit außerdem noch mit der drahtlosen Energieübertragung, was ein wenig an die Spulentechnologie von Nikola Tesla erinnert. Ich werde zu gegebener Zeit ein gesondertes Kapitel darüber unter dem Stichwort WiTricity verfassen, da sich inzwischen mehr und mehr Forscher und Unternehmen damit beschäftigen.

Auch Nokia arbeitet an einem Zusatzgerät für Handys, das Radiowellen aus der Umgebung in Strom umwandelt und ins Mobiltelefon einspeist. Der Prototyp aus dem Nokia Research Center im britischen Cambridge kann aus den Radiowellen von WLANs, Mobilfunkantennen, TV-Sendern und anderen Quellen eine Stromleistung von 50 Milliwatt erzeugen, was bereits einen unbegrenzten Standby-Betrieb möglich macht.

Wie beim o.g. Kristalldetektor lassen die schwingenden Magnetfeldkomponenten des einlaufenden Radiosignals in der Antennenspule Elektronen oszillieren, wodurch ein schwacher Induktionswechselstrom entsteht, der in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Um die Leistung zu erhöhen, soll das Nokia-Gerät einen größeren Ausschnitt aus dem Radiofrequenzspektrum umwandeln.

Der dazu erforderliche Breitband-Empfänger kann Signale mit einer Frequenz zwischen 500 MHz und 10 GHz abzapfen, ein Bereich in dem sich viele mit Radiowellen arbeitende Kommunikationskanäle befinden. Die Technologie soll in drei bis vier Jahren marktreif sein.

Fraglich ist, ob derartige Technologien in Deutschland überhaupt erlaubt sind. Laut §248c des Strafgesetzbuchs ist das Anzapfen fremder Stromquellen nämlich eine Straftat, die mit einer Freiheitsstrafe von bis zu 5 Jahren geahndet werden kann!

Anders ist die Sachlage, wenn man selbst für das Sendesignal sorgt. Die Firma Powercast aus Pittsburgh beispielsweise verkauft bereits ein System, mit dem sich ein Sensor mittels Radiosignal über einen Abstand von 15 m fern-aufladen läßt.

Forscher der University of Washington entwickeln Ende 2009 einen implantierbaren Sensorchip, der Nervensignale aufzeichnen kann und dabei sehr wenig Energie verbraucht. Die Sensorplattform namens ‚NeuralWISP’ bezieht ihren Strom von einer Funkquelle, die bis zu einem Meter entfernt liegen kann. Zum Einsatz kommt dabei ein handelsübliches RFID-Lesegerät, das gleichzeitig auch zur Datensammlung verwendet wird, um die Aktivitäten im zentralen Nervensystem einer Motte auszulesen, während diese sich bewegt.

Ein sehr interessantes Konzept, das weiter im Auge behalten werden sollte, bilden die sogenannten Fraktal-Antennen, die eine sehr große Zahl von Frequenzen gleichzeitig empfangen können. Dieser Vorschlag geht auf den Elektroningenieur Jack Passerello aus Anaheim, Kalifornien, zurück, der schon in die Entwicklung der ersten Computer-Chips involviert war

Energetisch autonome Kamera von NEC

Autonome Kamera von NEC

Die elektromagnetische Induktion in direkter Nachbarschaft zum Verursacher nutzt der  Prototyp einer Überwachungskamera, die von der NEC Engineering Ltd. auf der iExpo 2007 im Dezember in Tokyo vorgestellt wird. Dabei wird ein von der Firma Sharp entwickelter ringförmiger Adapter, der im Januar 2006 erstmals präsentiert wurde, über eine Leuchtstoffröhre gezogen. Der Adapterring nutzt die elektromagnetische Induktion im Bereich von 45 – 100 kHz um 120 mW Strom zu erzeugen, was zur Versorgung der VGA-Kamera und eines Wi-Fi Chips ausreicht, der die in 10 Sekunden Abstand aufgenommenen Bilder an einen PC sendet.

NEC bietet außerdem ein Positionsinformationssystem an, das ebenfalls mittels dieser Drahtlos-Technologie mit Strom versorgt wird. (Mit Dank an Herrn T. Prinz für die Korrektur).


Licht und Infrarot


Der Bereich der Umwandlung von Licht in Elektrizität erfolgt hauptsächlich mittels der inzwischen gut bekannten Photovoltaik, die ich in einem eigenen Kapitel umfassend darstelle. Zumeist handelt es sich dabei um Systeme, die ausschließlich das sichtbare Lichtspektrum nutzen, wobei sich die effektive Umwandlung oftmals auf nur wenige, bestimmte Frequenzen beschränkt.

Hier soll es daher um mehr ‚periphere’ Systeme gehen, die sich mit dem Bereich des Micro Energy Harvesting verbinden lassen.

Der japanische Wissenschaftler Takanori Fukushima arbeitet mit seinen Kollegen von der University of Tokyo an der Elektrizitätsgewinnung mittels Nano-Kabeln. In einer Publikation vom Dezember 2006 beschreibt das Team die Methode, wie es mit diesen einigen µm langen und 16 nm durchmessenden Kabeln das Licht zum Betrieb winzigster Nano-Roboter nutzt. Im Grunde ähnelt das System den lichtnutzenden Antennen einiger Bakterienstämme, während die Umwandlung selbst dem Effekt von Solarzellen-Halbleitern entspricht – allerdings in einem wesentlich kleineren Maßstab.

Um die lichtumwandelnden Nanostrukturen herzustellen entwickeln die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff aus Hexabenzocoronen (HBC), zwei Kohlenstoff-12 Ketten sowie Trinitrofluorenonen (TNF). Das Kompositmaterial wird in eine Lösung aus Tetrahydrofuran eingebracht und mit Methandampf-Blasen dazu angeregt, sich selbständig zu hohlen Kabeln zu verbinden. Das HBC, das die Elektronen abgibt, sobald es von Licht berührt wird, bildet dabei die Innenseite der Kabelwandung, während das TNF, das die Elektronen anzieht, die Außenhülle umgibt.

Um die Effizienz zu steigern will Fukushima in Zukunft Kohlenstoff-60 Moleküle einsetzen (sogenannte Buckyballs), um aus der TNF-Schicht möglicherweise einen Supraleiter zu machen, der einen wesentlich höheren Stromfluß erlauben würde.

Direkt mit Bakterien, welche Licht in Strom umwandeln, beschäftigt sich Prof. Ed Delong vom MIT. Im März 2007 präsentiert er seine mit Seewasser-Mikroorganismen erzielten Ergebnisse, bei denen ein Teil der Gene dazu dient, aus Licht Energie zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Cyanobakterien, die bei Lichteinfall den Effekt der Photosynthese nutzen um Zucker herzustellen (dazu mehr im Kapitel Methan und synthetische Kraftstoffe), setzen die nun untersuchten Bakterien ein Licht-aktivierendes Protein namens Proteorhodopsin ein, das den Proteinen in der Retina des menschlichen Auges ähnelt. Im Verbund mit einem Licht-sensitiven Molekül namens Retinal pumpt das Protein bei Lichteinfall positiv geladene Protonen durch die Zellmembran. Dadurch entsteht ein elektrischer Potentialunterschied, der als Energiequelle genutzt werden kann.

Die Forscher setzen den betreffenden DNA-Abschnitt in Escherichia coli Bakterien ein und stellen fest, daß dieser dort innerhalb der Zellmembran das gesamte notwendige System zur Energieerzeugung herstellt und zusammensetzt.

In einer im Februar 2007 erfolgten Veröffentlichung eines Forscherteams um Jan Liphardt von der University of California, Berkeley, wird beschrieben wie E. coli dahingehend modifiziert werden kann, daß es eine Proteorhodopsin-Pumpe ausbildet, die leicht zwischen verschiedenen Energiequellen hin und her schalten kann: Sobald das Bakterium von seiner üblichen Energiequelle abgeschnitten wird nutzt es das einfallende Licht, um seine Flagellen-Motor zu betreiben, ein rotierendes Schwänzchen, das es dem Bakterium erlaubt sich schwimmend vorwärts zu bewegen. Ja stärker das Licht scheint, desto schneller dreht sich auch der ‚Biomotor’.

Lichtempfindlicher Plastik-Motor

Plastik-Motor

Ein Team des Tokyo Institute of Technology um Prof. Tomiki Ikeda präsentiert nach fünfjähriger Forschung im Juli 2008 einen Plastik-Motor, der ausschließlich von Licht angetrieben wird. Ohne den Umweg über die Elektrizitätserzeugung wird die Lichtstrahlung direkt in mechanische Energie umgewandelt. Dabei wird ein Band aus einem speziellen lichtempfindlichen Elastomer genutzt, dessen molekulare Struktur sich ausdehnt oder zusammenzieht, wenn sie beleuchtet wird - abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Bei Ultraviolett-Licht zieht sich das Band zusammen, im sichtbaren Spektrum expandiert es wieder in seinen ursprünglichen Zustand.

Die Forscher können ein Paar Räder mit 10 mm und 3 mm Durchmesser zum Drehen bringen, indem sie Ultraviolett-Licht auf ein 0,08 mm dickes, Elastomer-beschichtetes Band richteten, das sich um die Räder windet, wobei das UV-Licht das Band in der Nähe des kleinen Rades, und das sichtbare Licht das Band in der Nähe des größeren Rades bescheint. Das 10 mm Rad erreicht dabei eine ‚Höchstgeschwindigkeit’ von einer Umdrehung pro Minute.

Über das Auffangen von Infrarot-Strahlung berichten Wissenschaftler des Idaho National Laboratory im August 2008, die daran gemeinsam mit der University of Missouri und der Firma MicroContinuum aus Cambridge, Massachusetts, arbeiten. Sie stellen ein flexible Folie aus Kunststoff mit eingebetteten Nano-Antennen vor, die in der Lage sind die Strahlungsenergie im mittleren Infrarotbereich zu absorbieren. Im Gegensatz zu sonnenabhängigen Solarzellen funktionieren diese Nanoabsorber Tag und Nacht gleichermaßen, wobei sie nachts die Wärmerückstrahlung der Erdoberfläche nutzen.

Die Nano-Antennen selbst sind kleine goldene Spiralen, die in eine speziell behandelte Form von Polyethylen eingelassen werden, um von Silizium-Wafern und starren Substraten wegzukommen. Messungen an Prototypen zeigen, daß die Nano-Antennen mehr als 80 % der Energie der Photonen von der Sonne einsammeln, das Endprodukt könnte daher leicht einen Wirkungsgrad von rund 50 % erreichen, und damit sogar alle derzeitigen Laborrekordhalter überholen. Pro Quadratmeter könnten dann etwa 75 W erwirtschaftet werden. MicroContinuum arbeitet bereits an einem roll-to-roll Produktionsverfahren.

Im Juni 2009 stellt ein Team der University of Florida einen linearen molekularen Nanomotor vor, der Licht direkt in Bewegung umsetzt – zumindest im sehr kleinen Maßstab, da er mit nur einem einzigen DNA-Molekül hergestellt ist. Der biokompatible Motor produziert keinen Abfall, ist einfach zu montieren, hat nur weniger Teile und sollte theoretisch effizienter sein als andere solarbetriebene Motoren. Bei der Herstellung wird ein designtes DNA-Molekül mit Azobenzene kombiniert, einem lichtempfindlichen gelben oder orangefarbenen kristallinen Material (C6H5N:NC6H5). Der Nanomotor ist in seiner zusammengefalteten Form 2 bis 5 nm lang und kann bis auf 10 bis 12 nm expandieren.


Ph-Wert


Die Forstverwaltung der USA nutzt eine große Zahl automatischer Wetterstationen, um damit unter anderem auch Vorhersagen über die Entwicklung und den Weg von Waldbränden machen zu können. Aufgrund des hohen Preises und des Wartungsaufwands dieser Wetterstationen ist ihr Einsatz jedoch beschränkt.

Baum-Energie Grafik

Baum-Energie (Grafik)

Wissenschaftler des Center for Biomedical Engineering (CBE) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) untersuchen daher Mitte 2008 die Möglichkeit, ob nicht ein Netzwerk aus Bäumen genügend Elektrizität produzieren könnte um entsprechende Funksensoren mit Strom zu versorgen. Mittels sich langsam aufladender Pufferbatterien gelingt es, genügend Energie zu ernten um die Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren viermal am Tag ihre Daten absenden zu lassen – oder sofort, falls es brennt. Dabei springt das Signal von einem Sensor zum nächsten, bis es eine Funk-Wetterstation erreicht, von wo aus die Daten über Satellit an das Kontrollzentrum in Boise, Idaho, gesendet werden.

Daß Bäume sehr geringe Mengen an Elektrizität produzieren war schon früher bekannt, auch wenn niemand genau wußte wie dies zustande kam oder wie man es nutzen könnte. Zur Beantwortung dieser Frage hat das Forschungsteam eine ganze Reihe an Erklärungsmodellen untersucht, von denen viele recht exotisch gewesen sein sollen.

Es erweist sich schließlich, daß es sich weder um einen elektrochemischen Redox-Prozeß handelt (wie er z.B. bei der ‚Kartoffelbatterie’ stattfindet), noch um eingekoppelte Energie aus unterirdischen Kabeln, Rundfunkwellen oder anderen elektromagnetischen Einflußquellen. Statt dessen stellt sich heraus, daß die Stromproduktion aufgrund eines relativ simplen Phänomens erfolgt – dem Ungleichgewicht des Ph-Wertes zwischen dem Baum und dem Erdreich, in dem dieser steht.

Die ersten Feldtests des drahtlosen Netzwerkes und der Batterie-ladenden ‚Bioenergie-Ernter’, welche von dem 2005 gegründeten Unternehmen Voltree Power aus Canton, Massachusetts, entwickelt werden, beginnen im Frühjahr 2009 und zeigen schon Ende Juni zufriedenstellende Ergebnisse, es werden bis zu 200 Millivolt erreicht.

Vermarktet wird das Gesamtsystem unter dem Namen Early Wildfire Alert Network (EWAN).

Auch Forscher an der University of Washington um Prof. Babak Parviz entwickeln einen elektronischen Schaltkreis, der mit einem Baum als Stromquelle auskommt. Im September 2009 berichten sie, daß eine auf dem Universitäts-Gelände verbreitete Ahorn-Art eine Spanung produziert, die bis zu einige Hundert Millivolt (mV) betragen kann. Um diese geringe Eingangsspannung nutzbar zu machen, konstruieren die Ingenieure einen Boost-Wandler, der Eingangsspannungen ab 20 mV auf eine Ausgangsspannung von 1,1 V konvertieren kann.

Im Gegensatz zu den MIT-Forschern glaubt Parviz jedoch, daß der Strom durch eine Signalübertragung in Bäumen erzeugt wird, ähnlich jener im menschlichen Körper, aber mit geringerer Geschwindigkeit. Möglicherweise sei der Fluß aufgelöster mineralischer Ionen in dem Xylem des Baumes involviert, dem holzigen Leitgewebe, das dem Transport von Wasser und anorganischen Salzen durch den Baum dient.


Piezoelektrizität


Piezoelektrizität (auch Piezoeffekt oder piezoelektrischer Effekt, von griech: piézin – pressen, drücken) bedeutet die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn diese elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Heute werden für Piezoelemente meist PZT-Keramiken (Blei-Zirkonat-Titanat) benutzt.

Piezo-Feuerzeug Grafik

Piezo-Feuerzeug (Grafik)

Entdeckt wird der Piezoeffekt im Jahre 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie. Bei Versuchen mit Turmalinkristallen finden sie heraus, daß bei einer mechanischen Verformung der Kristalle auf deren Oberfläche elektrische Ladungen entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Auch die 1929 erfolgte Erfindung der Quarzuhr durch den amerikanischen Uhrmacher Warren Alvin Marrison beruht auf der Entdeckung der Curie-Brüder.

Fast jedermann kennt den piezoelektrischen Effekt von elektronischen Feuerzeugen oder Anzündern her: Durch die Ausübung von Druck auf einen Kristall wird eine elektrische Entladung erzeugt.

Die Piezoelektrizität bildet einen der wichtigsten physikalischen Effekte, die im Bereich des Micro Energyy Harvesting genutzt werden. Wir werden dieser Technologie noch bei verschiedenen spezifischen Umsetzungen begegnen (s.u.), ebenso wird sie zunehmend im Bereich der Nutzung menschlicher Muskelkraft eingesetzt (s.d.).

Zu den ersten, die sich mit dem Feld der sogenannten ‚Flexoelectricity’ beschäftigen, gehört das Team um Prof. Umeda vom Niigata polytechnic college, das seit 1996 daran arbeitet, entsprechende Wandler zu entwickeln.

2001 veröffentlichen Glynne-Jones et al. von der University of Southampton einen Bericht über einen piezoelektrischen Wandler, der bei einer Schwingung von 80 Hz 3 μW erzeugt.

Ende 2005 berichtet das Wissenschaftsmagazin Nature über eine Innovation von Shashank Priya an der University of Texas in Arlington, bei der eine taschengroße Miniatur-Windmühle zur Stromversorgung eines Sensoren-Funknetzwerkes in abgelegenen Gegenden zum Einsatz kommt. Die Energieumsetzung des nur 10 cm durchmessenden Rotors erfolgt durch das Verbiegen piezoelektrischer Kristalle. Schon bei einer geringen Windgeschwindigkeit von 16 km/h werden 7,5 mW erzeugt.

2006 arbeiten auch M. Marzencki et al. bei den Tima Labs (2 mm2, 2 μW bei 1.3 kHz) sowie M. Renaud et al. am IMEC der Universität Leuven an Piezo-Wandlern (0,2 cm2, 40 μW bei 1.8 kHz).

Ebenfalls seit 2006 besteht das Unternehmen Advanced Cerametrics Inc. (ACI) in Lambertville, New Jersey, dessen Produktlinie aus piezoelektrischen Fasern und Verbundwerkstoffen in Textilien eingebettete Mikro-Energiewandler möglich machen. Die patentierten PZT-Fasern sollen aus mechanischer Energie wie Vibration, Druck oder Biegen einen zehn Mal so großen Stromertrag ernten wie andere flexible piezoelektrische Materialien.

Erstes Einsatzgebiet der Technologie sind Tennisschläger und Skier der internationalen Sport-Firma HEAD. Hier werden durch die Umsetzung der geernteten Energie in Form einer aktiven Strukturkontrolle Erschütterungen gedämpft und die Stabilität gegenüber Verwindungen erhöht, wenn beispielsweise ein Ball auftrifft oder der Ski in eine Kurve fährt. Das Resultat sind im Fall der Tennisschläger um bis zu 15 % kräftigere Ballabschläge. Eine Würdigung der Technologie bildet die Auszeichnung ,Tennis Racket of the Year’ sowie mehrere Goldmedaillen bei der Olympiade 2008.

DuraAct-Wandler

DuraAct-Wandler

Im Februar 2007 erhält die Firma Invent GmbH aus Braunschweig den Mittelstands-Award ‚Neue Technologien für den Mittelstand’ für die Entwicklung piezokeramischer Wandler für Industrie und Forschung, die u.a. auch für das Energy Harvesting genutzt werden. Sie werden ab Mitte 2007 unter dem Namen ,DuraAct’ weltweit von der Firma PI Ceramic GmbH vertrieben.

Im Juni 2007 gibt das Belgische Forschungszentrum IMEC in Leuven gemeinsam mit seinem Holländischen Schwesterunternehmen IMEC-NL die Herstellung eines Vibrations-Ernters bekannt, bei dem die sogenannte ‚micromachining technology’ zum Einsatz kommt. Der piezoelektrische Mikrogenerator hat einen Output von 40 µW und soll als Energielieferant für drahtlose Sensoren dienen. Im Innern besteht er aus einer Platin-Elektrode, einer Schicht aus Bleizirkontitanat (PZT) und einer Aluminium-Elektrode. Die Marktreife soll in 5 Jahren erreicht werden.

Einen Monat später, im Juli 2007, gründet sich in Holland die Firma GreenPeak durch den Zusammenschluß von zwei Funktechnik-Unternehmen. Im Laufe der beiden Folgejahre gelingt es der Firma ausreichende Investitionsmittel einzuwerben, um verschiedene technische Umsetzungen bis zur Marktreife zu entwickelt, darunter drahtlose ‚ultra-low-power’ Kontroll- und Steuernetzwerke, batterielose Funkchips sowie eine Fernbedienung, die sich ihre Energie aus dem Druck auf die Tasten beschafft.

Das ‚Lime-CM-08’ Modul beispielsweise ist ein kleines 5 cm² großes elektronisches Bauelement, das als alleinstehendes Kommunikationssystem arbeitet und einen Transmitter/Receiver, eine Antenne und eine lowpower Mesh-Netzwerk Software auf einem einzigen Gerät integriert. Die Software des Moduls kann konfiguriert werden, um die Energie unterschiedlicher Energieaufnahmegeräte zu verwalten. Das Modul wird zu einem Preis ab 21 $ von der MSC Vertriebs GmbH angeboten (Stand 2009).

Ende 2008 präsentiert ein  Team des Virginia Tech zugehörigen Center for Intelligent Material Systems and Structures ein sogenanntes ‚L-beam design’, das die Voltspannung gegenüber den bisherigen Entwicklungen mehr als verdoppelt. Das Team um den türkischen Entwickler Alper Erturk besteht aus Jamil Renno aus Saida, Libanon, und Dan Inman aus Blacksburg, Virginia.

Die piezoelektrischen Materialien wandeln Vibrationen in Strom um, wobei der L-förmige Harvester nicht nur mehr Spannung erzeugt, sondern den Strom auch aus einer viel breiteren Palette von Schwingungsfrequenzen umwandeln kann. Finanziert wird die Entwicklung durch das Air Force Office of Scientific Research.

Fernsteuerungs-Prototyp von NEC

Fernsteuerungs-Prototyp
(NEC)

Im November 2009 kommt die Firma NEC Electronics in die Presse, die in Zusammenarbeit mit der japanischen Soundpower Corporation ebenfalls eine Fernbedienung entwickelt hat, die gänzlich ohne Batterien auskommt. Mittels eines piezoelektrischen Generators werden die beim Tastendruck entstehenden schwachen Vibrationen zur Energieversorgung des Geräts genutzt. Bereits mit dem Prototyp ist es möglich, die elementarsten Funktionen eines TV-Geräts zu steuern. Der Fernseher kann ein- und ausgeschaltet, die Lautstärke geregelt und der Kanal gewechselt werden.

Zum Einsatz kommt ein vibrationsbasierter Generator von Soundpower, einem Piezoelektrik-Spezialist, der diverse Anwendungen dieser Energiegewinnung mittels mechanischer Spannungen untersucht. Unter anderem werden in Tokio Bodenplatten getestet, die in Bahnhöfen die Schritte der Fahrgäste zur Energiegewinnung nutzen, worüber ich im Kapitel Muskelkraft bereits geschrieben habe. Soundpower beschäftigt sich außerdem mit der Nutzung von Schallwellen beim Sprechen zur Stromerzeugung (s.u.).

Im Jahr 2009 beginnt die Zusammenarbeit der Energy harvesting Unternehmen AdaptivEnergy Inc. (Hampton Roads, Va.) und GainSpan Corp. (San Jose, Calif.), die einen Entwicklungsvertrag mit der in Investitionsfirma In-Q-Tel unterzeichnen, einem strategischen Investmentunternehmen der CIA. Hierbei geht es um die Nutzung von Vibrationsenergie unterhalb von 0,040 grms (root-mean-square acceleration). AdaptivEnergy integriert auch die Thermo-Generator Technologie des deutschen Unternehmens Micropelt GmbH (s.u.) um die WiFi-Sensorpunkte von GainSpan mit Energie zu versorgen.

Die Entdeckung eines neuen, Blei-freien piezoelektrischen Material durch Forscher der University of California in Berkeley und dem Lawrence Berkeley Lab des U.S. Department of Energy (DOE) kommt im November 2009 in die Fachpresse. Die Wissenschaftler finden heraus, daß dünne Schichten von Wismut-Ferrit, einem anorganischen kristallinen Material, das magnetisch-elektrische Phänomene aufweist, auch einen piezoelektrischen Effekt erzeugt, wenn es einem starken und richtig fokussierten Druck ausgesetzt wird. Durch die Beseitigung der Blei-Gefährdung könnte die Berkeley-Entdeckung zu einer vermehrten Anwendung piezoelektrischer Materialien führen, nicht nur in Infrastruktur und Gebäude, sondern auch bei Verbraucherprodukten wie Schuhen oder T-Shirts.

Auch das ,Zeri Phone’, ein Handy-Konzept des Industriedesigners Paul Frigout, das im Dezember 2009 ins Gespräch kommtsoll sich seine Energie selbstständig beschaffen: durch ein thermoelektrisches und ein piezoelektrisches System. Während der thermoelektrische Generator (weiter unten dazu mehr, s. ‚Wärme’) seinen Strom mittels in das Hüllengewebe eingearbeiteten Metalldrähten aus den entstehenden Temperaturunterschieden bezieht, wenn das Handy in der Tasche mitgeführt wird, werden die ‚Härchen’ des piezoelektrischen Generators von winderzeugten Vibrationen dazu angeregt, ihren Strom zu produzieren.

Über radioaktive piezoelektrische Generatoren spreche ich im Kapitel Energiespeicherung im entsprechenden Absatz (s.d.).


Pieozoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte


Eine besondere Wichtigkeit scheinen derzeit piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte zu erlangen, daher soll diese Technologie im Folgenden gesondert behandelt werden.

Prof. Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, stellt 2006 erstmals pieozoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte (ZnO) vor, die durch zyklisches Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potentiale auf- und abbauen. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluß mit einer oszillierenden Ausgangsspannung von bis zu 50 Millivolt, von dem bis zu 6,8 % der aufgewendeten mechanischen Energie in Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Erprobung des Konzepts nutzen die Forscher einen Generator mit 200 bis 300 Mikrometer langen Drähten.

Zinkoxid-Nanodrähte

Zinkoxid-Nanodrähte

Die Entwicklung dieser ‚flexiblen Ladungspumpe’ kann Nanomaschinen ermöglichen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Den Forschern zufolge ist die Neuentwicklung auch wesentlich zuverlässiger als die bisherigen, auf der Basis von Nanodrähten hergestellten, Generatorsysteme, die aus Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten bestanden. Dies habe aber nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System dagegen setzt auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt ist.

Im April 2007 meldet die Presse, daß es Forschern in Atlanta inzwischen gelungen sei, auf der Nano-Ebene mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür haben sie einen Gleichstromgenerator aus piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähten konstruiert, der mit Ultraschall betrieben wird. Die Drähte sind 40 nm dick und 1 µm lang, und die Stromerzeugung erfolgt, indem die Felder aus Nanodrähten mit einer platinbeschichteten Zick-Zack-Elektrode aus Silizium abgelenkt werden. Drückt diese Zick-Zack-Elektrode auf einen Draht, so wird dieser seitlich ausgelenkt. Dadurch entstehen auf den beiden Seiten des Drahtes mechanische Zug- und Druckspannungen, wodurch sich positive beziehungsweise negative elektrische Potentiale aufbauen.

Im November 2007 präsentiert auch ein Forscherteam der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) Zinkoxid-Nanodrähte, die in Reaktion auf Ultraschallvibrationen Gleichstrom produzierten.

Die Wissenschaftler der UIUC gehören nun zu den ersten, die Bariumtitanat verwenden. Sie weisen nach, daß es ausreicht, Vibrationen an einen einzelnen Nanodraht anzulegen, um bereits einen kleinen Energieoutput zu erzielen. Während sich bei der Nutzung von Bariumtitanat größere Spannungen als bei Zinkoxid generieren lassen, ist dieses wiederum für biologische Systeme ungiftig und eignet sich daher besser für Implantate. Zum Betrieb der Nanogeneratoren können Ultraschall, mechanische Vibrationen oder die Strömung von Arterienblut genutzt werden. Pro Kubikzentimeter sollen mit den Nanodrähten bis zu 4 W generiert werden können.

Im Februar 2008 berichten die Wissenschaftler des Georgia Tech dann über die Entwicklung eines energieerzeugenden Stoffes, der sich für Kleidungen oder Zeltplanen eignet. Die hybride Struktur, die im vorliegenden Fall aus Kevlar-Fasern besteht, auf denen radial Zinkoxid-Nanodrähte gezüchtet wurden, sei besonders gut geeignet um Vibrationen und Reibungsenergie niedriger Frequenzen (also unter 10 Hz) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Forscher kombinierten dazu den piezoelektrischen mit dem Halbleitereffekt. Die Zinkoxid-Beschichtung des Mikrofiber-Nanogenerator-Gewebes verliert allerdings stark an Wirksamkeit, sobald sie naß wird.

Die eingesetzten einkristallinen Nanodrähte haben eine sechseckige Grundfläche mit 50 - 200 nm Durchmesser und sind rund 3,5 µm lang. Mit zwei Schichten aus Tetraethoxysilan werden die Strukturen stabilisiert, wodurch die zugrunde liegende Faser biegbar bleibt, ohne daß die ZnO-Drähtchen dabei verletzt werden. Ein zweiter, in Gold getauchter Kevlar-Faden biegt einerseits die Zinkoxid-Nanodrähte, so daß es zu einer piezoelektrischen Ladungstrennung kommt, und ruft durch den Gold-Zinkoxid-Kontakt andererseits eine auf dem Halbleitereffekt beruhende Ladungstrennung hervor. Über die goldbesetzte Elektrode können die gewonnenen Ladungen dann abfließen und genutzt werden.

Hamster mit Energie-Jacke

Hamster mit Energie-Jacke

Die Forscher schätzen, daß sich aus 1 m2 des derart aufgebauten textilen Materials zwischen 20 mW und 80 mW gewinnen lassen. Während bei den Laborversuchen die Fäden absichtlich gegeneinander gedreht wurden, könnte in der Natur etwa der Wind diese Aufgabe übernehmen.

Für die entsprechend ausgerüstete Kleidung ist auch schnell ein neuer Begriff gefunden: das Power-Shirt. Wenn ein Quadratmeter dieses Stoffes bis zu 80 mW Strom erzeugen kann, dann reicht dies vollkommen aus um elektronische Kleingeräte wie Handys oder Sensoren zu versorgen. Denkbar sind ferner Gardinen, die allein durch ein leichtes Bewegen im Wind zum Stromerzeuger werden – oder Zelte, deren Außenhaut die tragbare Elektronik im Inneren versorgt.

Im November 2008 meldet Wang die Entwicklung einen neuen Generators mit einem oszillierenden Output von 45 Millivolt und einem Wirkungsgrad von knapp 7 %. Und Anfang 2009 demonstrieren die Wissenschaftler des Georgia Tech, daß sich ihr Nanogenerator auch durch irreguläre biologische Bewegungen mit geringem Energiegehalt – etwa von einem Hamster - betreiben läßt. Diesem wird dabei eine kleine ‚Jacke’ angezogen, in welcher der Nanogenerator steckt, der bei 70 Millivolt rund 1 Nanowatt leistet, sobald der Hamster in seinem Laufrad losrennt.

Die Forscher hoffen nun, das Stromerzeugungspotential innerhalb der nächsten drei Jahre soweit zu steigern, daß der Generator in Gewebe eingenäht werden kann, aus dem man Kleidungsstücke fertigt. Dann könnte ein Mensch alleine durch seine Bewegungen tragbare, elektronische Geräte aufladen.

Im April 2009 wird über eine Kooperation mit Xudong Wang berichtet, einem Assistenzprofessor für Materialwissenschaften der University of Wisconsin-Madison. Dabei geht es um die Entwicklung eines hybriden Nanogenerators, der neben der Vibration auch Sonnenenergie nutzen kann. Gearbeitet wird an einer Kombination aus Grätzel-Zelle (s. Abb. oben) und Nanogenerator (Abb. unten), die beide auf Zinkoxid-Nanodrähten beruhen und auf dem gleichen, geschichteten Silizium-Substrat sitzen.

Die oberste Schicht besteht hierbei aus einer Dünnschicht-Solarzelle, in der mit Farbstoff beschichtete Zinkoxid-Nanodrähte eingebettet sind, während die untere Schicht Wang’s Nanogenerator enthält. Die große Oberfläche der Nanodrähte steigert dabei die Licht-Absorption, eine Entwicklung, die auf der Arbeit von Peidong Yang, Professor für Chemie an der University of California, Berkeley, basiert.

An der Unterseite des Siliziums befindet sich ein unregelmäßiges Gitter von Polymer-beschichteten Zinkoxid-Nanodrähten mit verzahnter Struktur. Sobald das Gerät Vibrationen ausgesetzt ist, kratzen diese ‚Zähne’ gegen eine darunterliegende Anordnung von vertikal ausgerichteten Zinkoxid-Nanodrähten, was zur Schaffung eines elektrischen Potentials führt.

Veos Grafik

Veos (Grafik)

Im Oktober 2009 legt Zhong Lin Wang nach: Sein Team zeigt erstmals Nanosensoren, die keine zusätzlichen Energieerzeuger benötigen. Dabei verwenden die Forscher einen vertikalen Zinkoxid-Draht mit einem Durchmesser von 25 Nanometern, um einen Feldeffekt-Transistor zu schaffen.

Das Konzept einer interessanten Umsetzung für Zinkoxid-Nanodrähte bildet die ,Veos’-Kugel des Designers Joe Brussel, die im Mai 2009 vorgestellt wird. Es handelt sich um einen Waschmittel-Dispenser mit Energie-Rückgewinnung, den man einfach mit dem Rest der Wäsche in die Waschmaschine packt. Während der Waschzyklen wandelt ein inneres, frei schwingendes Geflecht aus Nanodrähten die mechanische Energie in Strom um. Die geerntete Elektrizität soll dann wieder in das Netz eingespeist werden. Es ist meines Erachtens allerdings fraglich, ob sich der Aufwand an dieser Stelle wirklich lohnt.


Regentropfen


Regentropfen-Einschlag

Regentropfen-Einschlag

Anfang 2008 stellen Französische Forscher um Jean-Jacques Chaillout vom Minatec-Innovationszentrum der Atomenergiebehörde CEA in Grenoble einen Mikro-Generator vor, der aus der Wucht aufprallender Regentropfen Strom erzeugen kann. Hauptkomponente ist eine nur 25 µm dünne Oberfläche aus dem piezoelektrischen Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF), der auf Druck hin eine elektrische Spannung aufbaut.

Die nur wenige Quadratzentimeter großen Versuchsmodule erbringen bereits eine Leistung bis zu einigen Tausendstel Watt, was beispielsweise ausreicht um autonome Sensoren mit Energie zu versorgen. Durch Simulationen wird ermittelt, daß ein einziger großer Regentropfen eine potentielle Ausbeute von bis zu 12 mW besitzt.

Diese Idee wird Ende 2008 von dem Designer Sang-Kyun Park aufgegriffen, der aus der PVDF-Folie (logischerweise) einen Regenschirm herstellt, dessen Stromertrag auch gleich in eingebaute LEDs fließt, um den Schirmträger und seinen Weg nachts zu beleuchten. Interessanter Effekt: Je stärker es regnet desto heller leuchtet der ‚Lightdrops’-Schirm auf.

Der 18-jährige türkische Schüler Ceren Burçak Dag aus Nisantasi, Türkei, gewinnt den von ITT gesponserten Stockholm Junior Water Prize 2009 für ein Projekt in dem er ebenfalls zeigt, wie Regentropfen verwendet werden können um Strom zu erzeugen. Auch er nutzt hierzu das ‚smarte’ PVDF-Material. Dag erhält immerhin einen Preis von 5.000 $ - sowie eine bezahlte Reise nach Orlando, Florida, um seine Erkenntnisse im Oktober 2009 auf der jährlichen World Environment Federation Konferenz zu präsentieren, dem größten Wasser-Qualitäts- und Technologie-Event in Nordamerika.

Eco Sign Montage aus Foto und Grafik

Eco Sign (Montage)

Die Energie des Regens nutzt auch ein Design-Konzept von Cheolyeon Jo und Youngsun Lee, das im November 2009 auf der Messe 100% Design Tokyo vorgestellt wird. Die in den Boden eingelassenen ‚Eco Sign’-Scheiben, die wie digitale Gully-Deckel aussehen, haben es in sich: Je nachdem, auf welchen der vier Fußtaster man 2 Sekunden lang drückt, erscheinen Richtungspfeile zur nächsten Bus- oder U-Bahn-Station – samt Angaben über die nächsten Abfahrtzeiten.

Unter dem Display ist ein Rotor versteckt, der von dem hinein- und hindurchfließenden Regenwasser betrieben wird um die Stromversorgung des Systems zu gewährleisten.


Schall


Im April 2006 berichtet der ZDF Infokanal über eine Entwicklung von Prof. Elmar Breitenbach, Leiter des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik im DLR, bei der ein Piezokristall Lärm absorbiert – der ja nichts anderes als eine Vibration in Form von Schallwellen darstellt.

Farshi Energiefliese Grafik

Farshi (Grafik)

Unter der Nummer US 6.206.460 gibt es ein 1999 beantragtes und 2001 erteiltes Patent, an dem Breitenbach ebenfalls beteiligt ist, und zwar als Mitarbeiter eines Teams der Wilhelm Karmann GmbH in Osnabrück (sofern es sich hier nicht um eine Namensgleichheit handelt). Bei diesem Patent geht es um die Dämpfung der Vibrationsenergie bei Fahrzeugen. Möglicherweise bildete die Beschäftigung mit der Lärmabsorption die Anregung dafür, diese Vibrationen sinnvoll zu nutzen anstatt sie nur zu dämpfen.

An dem ‚Create the future contest’ der NASA beteiligt sich 2008 auch der Inder Devavrat Madhavi aus Bangalore mit dem Konzept einer verglasten, Schall-absorbierenden Fliese namens ,Farshi’ welche die eingefangene Energie mittels einer piezoelektrischen Folie in Strom umwandelt. Insbesondere auf Flughäfen, wo in 100 m Entfernung von startenden Maschinen noch ein Schalldruck von bis zu 120 db (entsprechend ca. 25 Pascal) gemessen werden kann, ließe sich das System gut nutzen.

Die Designer Jihoon Kim, Boyeon Kim, Myung-Suk Kim und Da-Woon Chung aus Korea beteiligen sich mit ihrem ,Sonic Energy Absorber’ (SONEA) an der International Design Competition 2008 in Japan. Das bereits ausgereift wirkende System besteht aus einzelnen Elementen in den Maßen 45 x 45 x 8 cm, die jeweils 7 kg wiegen.

Ich weiß nicht, ob die Rechnung schon experimentell überprüft worden ist – sie liest sich jedenfalls recht eindrucksvoll: Pro startendem Flugzeug mit rund 140 db soll ein SONEA-Element 240 kW produzieren. Bei einer Kalkulation mit 500 Flugzeugen pro Tag ergibt das immerhin einen Tagesertrag von rund 120 MW pro Element!

Im Dezember 2008 macht ein weiteres interessantes Konzept von sich reden. Der auf Nanotechnologie spezialisierte Chemieprofessor Tahir Cagin von der Texas A&M University entdeckt gemeinsam mit seinen Kollegen an der University of Houston ein piezoelektrisches Material, das die Energie der beim Sprechen ausgesendeten Schallwellen so effektiv in Strom umwandeln kann, daß damit elektrische Geräte wie beispielsweise Mobiltelefone betrieben werden können. Der Schall des ins Mikro Sprechenden wird als mechanischer Impuls genutzt, der die Spannung erzeugt.

Auch das oben bereits erwähnte Unternehmen Soundpower beschäftigt sich mit der Nutzung von Schallwellen beim Sprechen zur Stromerzeugung.

Zu diesem Zeitpunkt konzentrieren sich die Forscher auf die Stromversorgung von Nano-Maschinen, da die Energieerzeugung bislang nur dann besonders effektiv ist, wenn die piezoelektrischen Elemente exakt zwischen 20 und 23 Nanometern dünn sind. Hier steigt die Kapazität zur Energiegewinnung um 100 % im Vergleich zu anderen Maßen (Zur Anschaulichkeit: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 100.000 Nanometern).

Zum Thema Ultraschall siehe auch oben unter piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte.
Siehe auch unter akustische Wärmemotoren weiter unten im Absatz Wärme.


Stoßdämpfer


Im Januar 2009 meldet die Fachpresse, daß stromerzeugende Stoßdämpfer nach ausreichenden Feldtests nun bald zur Serienreife gelangen werden.

Die Electric Truck LLC übernimmt exklusiv die kommerziellen Rechte an einer Technologie der Tufts University, bei der regenerative Stoßdämpfer verwendet werden, um die Batterien von Hybrid- und Elektroautos während der Fahrt aufzuladen. Entwickelt und patentiert wurde die regenerative elektromagnetische Stoßdämpfer-Technologie von dem emeritierten Prof. Ronald Goldner und seinem Kollegen Peter Zerigian von der Tufts University, die dabei vom Argonne National Laboratory zusätzliche Unterstützung erhalten hatten.

Oxenreider-Entwicklung Grafik

Oxenreider-Entwicklung (Grafik)

Das System funktioniert mit einem elektromagnetischen Lineargenerator, der die intermittierende Verschiebung in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Eingesetzt wird dabei in der Regel ein zylindrischer, bürstenloser 3-Phasen Permanentmagnet-Elektromotor, der manchmal auch als ,ServoRam’ bezeichnet wird. ServoRams wurden in den 1990er Jahren entwickelt, um die hydraulische Stoßdämpfer von Bewegungssimulatoren in der Unterhaltungsindustrie zu ersetzen.

Ein nahezu identisches Konzept, das von David Oxenreider aus Boiling Springs, Pennsylvania, entwickelt wurde, hatte den zweiten Preis des ‚Emhart Create the Future’ Design-Wettbewerbs 2005 gewonnen.

Doch auch für diese innovative Technologie finde ich Vorläufer – und zwar in Gestalt der gut bekannten Audio-Fima Bose. Das Unternehmen behauptet nämlich, seit 1980 an einem ‚Active Suspension System’ zu arbeiten, das ebenfalls lineare Schrittmotoren verwendet um konventionelle Stoßdämpfer samt ihrer Federung zu ersetzen. Man hätte bereits mehr als 100 Mio. $ in diese Technologie investiert und erwarte, daß sie bis 2009 bei High-End-Luxus-Fahrzeugen zum Einsatz kommt.

Ob das Bose-System eine Energierückgewinnung besitzt, konnte ich bislang noch nicht eruieren, eine vertiefende Recherche wäre hier vielleicht angebracht.

Das Rennen scheint jedoch ein anderes System zu machen, obwohl es auf den ersten Blick komplizierter wirkt.

Gen Shock Stoßdämpfer

Gen Shock Stoßdämpfer

Eine Gruppe von Sudenten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) präsentiert nach zweijähriger Arbeit im Februar 2009 einen Stoßdämpfer, dessen Öl durch kleine Turbinen geleitet wird, welche wiederum Stromgeneratoren antreiben. Bislang wird die ungewünschte Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt und nutzlos an die Umwelt abgegeben.

In ersten Tests erzielen die ,GenShock’ Prototypen bei einem dreiachsigen LKW auf einer normalen Straße eine Leistungsgabe von bis zu 1 kW pro Rad. Mit dieser Energie könne beispielsweise das Kühlaggregat eines Anhängers betrieben werden, in Hybridfahrzeugen könnten die Stoßdämpfer wiederum die Akkus laden. Die Studenten glauben, daß ihre Stoßdämpfer die Effizienz eines Autos um 2 % - 10 % steigern können.

Unterstützt wird das Team von Venture Mentoring Service des MIT, und beraten wird es von Yet-Ming Chiang, Professor für Keramik bei Kyocera und Gründer von A123 Systems, einem Anbieter von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien (s.d.). Interesse an der Erfindung bekunden bereits mehrere amerikanische Lkw-Hersteller sowie der US-Autohersteller AM General, der unter anderem das High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle baut (kurz: HMMWV, besser bekannt als Humvee).

Inzwischen ist bereits die Levant Power Corp. in Cambridge, Massachusetts, gegründet worden, um die GenShock-Stoßdämpfer schnell auf den Markt zu bringen. Im Mai 2009 gewinnt das Startup den mit 10.000 $ dotierten MIT Clean Energy Award.


Straßengeneratoren


Der Erfinder Peter Hughes aus Dorset stellt nach zwölfjähriger Entwicklungszeit Ende 2005 eine Art Straßerampe vor, die darüberfahrende Autos benutzt um Strom zu erzeugen. Jedes Mal, wenn ein Auto über die Metallplatten fährt, soll die ,Electro-Kinetic Road Ramp’ durchschnittlich 10 kW produzieren. Die Bewegung der Platten wird auf ein speziell entwickeltes Schwungrad übertragen, das einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Dem Konstrukteur zufolge hätten bereits mehr als 200 lokale Behörden ihr Interesse an den 25.000 £ teuren Rampen bekundet, um mit der dort gewonnenen Energie Ampeln und Verkehrsschilder zu versorgen.

Hughes, dessen Entwicklung mit technischer Unterstützung der Firma Renold Clutches & Couplings aus Cardiff erfolgte, will in seiner Firma Highway Energy Systems Ltd. im nächsten Jahr mit der Produktion von 2.000 seiner Rampen beginnen, die lautlos funktionieren und auch Unfall- bzw. Verkehrssicher sein sollen. Je nach Gewicht des Fahrzeugs können zwischen 5 kW und 50 kW erzeugt werden. Der Prototyp wird bei der Hughes Research Unit an der Westland Helikopter Basis in Somerset getestet, mit einem Kostenaufwand von 1 Mio. £.

Tatsächlich passiert jedoch lange Zeit nichts, bis das Unternehmen im März 2008 ein Memorandum of Understanding mit der Firma Eco-RAEC SA (?) unterzeichnet, in welchem ihr die ausschließlichen Rechte an der Power Ramp Technologie in Spanien und Portugal übertragen werden.

In England ist es die Großhandelskette Sainsbury’s, die Mitte 2009 als erste auf einem ihrer Parkplätze in Gloucester kinetische Platten von Highway Energy Systems installieren läßt, welche sich innerhalb von zwei Jahren amortisieren sollen. Die darüber hinweg fahrenden Pkw erzeugen pro Stunde etwa 30 kW. Wenn der Testlauf erfolgreich ist, will das Unternehmen die Platten in allen seinen Filialen einführen.

Kinetic Plates vor Sainsbury’s

Kinetic Plates vor Sainsbury’s

Eine ähnliche Erfindung stammt von Danny McCadci aus Sunnyvale, Kalifornien, der seit den 1990er Jahren darüber nachdenkt. Im August 2007 beantragt er das Patent für eine Art Polder, der beim darüber Fahren heruntergedrückt wird und ein stromerzeugendes Schwungrad in Bewegung setzt. Den Einzelpreis bei einer Massenherstellung beziffert McCadci mit 5.000 $.

Im April 2008 erscheint ein Bericht über eine weitere Umsetzung durch Terry Kenney, der acht Jahre dafür brauchte, um einen funktionierenden Prototyp auf, bzw. in die Straße zu bekommen. Bei seiner im Hafen von Oakland liegende ‚Dragon Power Station’ komprimieren breite und robuste Stahlplatten eine Hydraulikflüssigkeit, sobald ein großer Lkw darüber fährt (pro Tag fahren rund 2.500 von ihnen in den Hafen), was wiederum eine Reihe von Pumpen in Aktion setzt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Der Erfinder schätzt, daß er im Juni 5.000 – 7.000 kWh Strom pro Tag erwirtschaften wird, was ausreichen sollte um etwa 1.750 Wohnungen zu versorgen – für einen Prototyp eine beachtliche Leistung.

Mit einer anderen technologischen Lösung, um die mechanische Energie von Fahrzeugen anzuzapfen, tritt Ende 2008 die israelische Firma Innowattech auf den Plan. Hier werden die Schwingungen, die durch die Fahrzeuge auf Straßen, Schienen oder Landebahnen verursacht werden, von piezoelektrischen Generatoren aufgenommen. Das Unternehmen behauptet, daß 1 km Straße oder Landebahn in der Lage sei, 400 kW – 500 kW pro Stunde zu produzieren.

Anfang 2009 arbeitet das Unternehmen an einer Pilotanlage, die in einigen Monaten fertiggestellt und in Israel erprobt werden soll. Dabei sollen die ,Piezo Electric Generators’ (IPEG) auf einer Strecke von 100 m in die Straßenoberfläche eingebracht und getestet werden.

Außerdem würde man ein System entwickeln, das die mechanische Energie der herumlaufenden Passanten in der New Yorker U-Bahn und in gutbesuchten shopping malls in Strom umsetzt. Über solche Technologien habe ich bereits ausführlich im Kapitel Muskelkraft berichtet.

Zu den weiteren Unternehmen, die sich mit Stromgewinnungssystemen aus dem Straßenverkehr beschäftigen, gehört die New Energy Technologies Inc. in Burtonsville, Maryland, die 2009 an einem Prototyp arbeitet. Im Oktober soll ihr ‚MotionPower system’ am Holiday Inn Express in Baltimore getestet werden, nachdem bereits ein Burger King drive-thru in Hillside, New Jersey, versuchsweise damit ausgestattet wurde. Dort fahren jährlich 150.000 Autos hindurch. Außerdem verkündet das Unternehmen Pläne zur Erweiterung seiner Produktpalette durch die Entwicklung eines neuen, hydraulisch angetriebenen Systems speziell für Lkw und Schwerfahrzeuge.

Carbon Zero Grafik

Carbon Zero (Grafik)

Letztendlich darf man bei all diesen System aber nicht vergessen, daß die derart ,gewonnene’ Energie tatsächlich aus den fossilen Brennstoffen der Fahrzeuge stammt, die ja erst für deren Bewegung sorgen.

Ein weiteres Design für diese Technologie stammt von dem Designer Jaeyong Park und wird im November 2009 in den Blogs unter dem Namen ,Carbon Zero’ vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Art markierter Straßen-Pflastersteine, unter denen Schichten aus n-Typ Silizium und P-Typ Silizium (diese werden auch bei der Herstellung von Solarzellen verwendet) zusammenwirken, sobald sie dem Druck eines darüberfahrenden Autos ausgesetzt werden. Dabei wird ein Gleichstrom erzeugt, der anschließend in Wechselstrom umgewandelt wird, um elektrische Geräte in Häusern und Geschäften in Nähe der Straße zu versorgen.


Strömungen


Die Energie von Strömungen wird uns in aller Ausführlichkeit noch in den Kapiteln zur Wasser- und Windenergie begegnen. Die Umsetzungen erfolgen dort jedoch zumeist im Meterbereich, während es auf dem Sektor des Micro Energy Harvesting um wesentlich kleinere Dimensionen geht.

Schon 1999 zeigen der US-Wissenschaftler Ray Baughman und seine Kollegen, daß sich Nanoröhrchen wie Muskeln verhalten, wenn sie einem besonders ausgerichteten elektrischen Feld ausgesetzt werden. Es dauert jedoch nicht lange, bis auch eine umgekehrte Funktion entdeckt wird.

In Kanada wird im Oktober 2003 das Forschungsergebnis der Wissenschaftler Dr. Larry Kostiuk und Dr. Daniel Kwok von der University of Alberta veröffentlicht, welche eine elektrokinetische Batterie erfunden haben, die ausschließlich mit Wasser funktioniert – wobei die Umsetzung bzw. Energiewandlung nicht auf dem chemischen Wege, sondern nur mittels der Strömung des Wassers durch mikroskopische Kanäle im Nanoformat erfolgt. Das Phänomen hatte ein gewisser J. F. Osterle schon im Juni 1964 im Journal of Applied Mechanics beschrieben, ohne daß es danach jedoch zu einer entsprechenden Umsetzung gekommen wäre.

Versuchsaufbau einer elektrokinetischen Batterie

Elektrokinetische Batterie
(Versuchsaufbau)

Das nun vorgestellte Labormodell, das im Grunde auf einer manuell bedienten Einwegspritze beruht, mittels derer das Wasser durch ein 1 cm durchmessendes und 3 mm langes Glasröhrchen gepreßt wird, kann bereits eine LED zum Aufleuchten bringen. Die rund 10.000 Mikrokanäle des Glasröhrchens produzieren einen Output von 10 V und 1 mA. Die Markttauglichkeit soll noch vor Ende der Dekade erreicht werden.

Schon ein Jahr vor dem kanadischen Team beginnen am India Institute of Science (IISc) Prof. Ajay K. Sood und sein Student Shankar Ghosh mit Versuchen, den Durchfluß von Flüssigkeiten durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen energetisch zu nutzen. Als sie ihre Ergebnisse dann im August 2004 erstmals veröffentlichen und nachweisen, daß der Durchfluß tatsächlich elektrische Energie produziert, blicken sie bereits auf eine Vielzahl von Experimenten mit flüssigen und gasförmigen Substanzen zurück, wobei der Strom aufgrund unterschiedlicher Effekte erzeugt wird.

Das Ganze bekommt schnell den Namen ‚Sood-Effekt’ vepaßt und bringt eine Reihe neuer Patente hervor. Großes Interesse besteht darin, mit einer entsprechenden technischen Umsetzung Herzschrittmacher betreiben zu können – alleine mittels der Blutströmung des betroffenen Patienten, das durch den Nanogenerator hindurchfließt. Neben Blut läßt sich der Durchflußgenerator auch mit salzigen Lösungen betreiben.

Das IISc-Team vergibt eine Exklusivlizenz an das US Start-Up Trident Metrologies, wo man sich damit beschäftigt, mittels der von Sood vorgeschlagenen Methode Prototypen und sogar marktfähige Gas-Durchflußsensoren zu entwickeln. Außerdem beantragt das Team weitere Patente für den Einsatz von Nanoröhrchen als Vibrationssensoren innerhalb von Flüssigkeiten sowie als Beschleunigungsmesser an festen Oberflächen, die beispielsweise die Erschütterungen bei Erdbeben aufzeichnen können.

Ein anderes Wissenschaftlerteam soll sich mit der Nutzung von Strömungen flüssiger oder gasförmiger Substanzen über ein Feld von sehr dünnen Glasnadeln beschäftigen, um damit Strom zu erzeugen. Leider habe ich bislang noch nicht herausgefunden, wo und wann diese Forschungen erfolgt sind.

Wissenschaftler von der Monash University in Australien arbeiten Anfang 2009 an ‚Mikrobot-Motoren’, die konzipiert sind um durch den Blutkreislauf des Menschen zu schwimmen. Der passende Name war schnell gefunden: ‚Proteus’ – nach dem Mini-U-Boot, das in dem SF-Film Fantastic Voyage 1966 eine Reise durch den menschlichen Körper macht.

Der nun vorgestellte kleine piezoelektrische Ultraschall-Resonanzmotor ist 250 Mikrometer (= ¼ mm) breit, was der zweieinhalbfachen Breite eines Haares entspricht. Die Mikro-Automaten sollen sich ihren Strom selbst aus der Fließenergie des Blutes beschaffen, während sie die Blutbahnen nutzen um Methoden der minimal-invasiven Chirurgie umzusetzen.

Der Mikro-Robot würde winzige Kameras und Sensor-Ausrüstungen mit sich führen und hätte auch Zugang zu sonst kaum erreichbaren Teilen des Körpers, wie beispielsweise zu einer von einem Schlaganfall geschädigten Arterie im Gehirn, die mittels Kathetern nicht behandelt werden kann.

Damit sich der Spermien-artige ‚Proteus’ fortbewegen kann, bringt ein Vibrationsmotor einen spiralförmigen Schwanz auf eine Umdrehungszahl von 1.295 U/min, der ähnlich wie bakterielle Flagellen als eine Art Propeller fungiert.

Wind-Helmet Grafik

Wind-Helmet (Grafik)

Weitaus größer sind demgegenüber Geräte, welche die Strömung des Fahrtwinds umsetzen. Über einige davon spreche ich noch ausführlich im Kapitel Windenergie (s.u. Neue Designs und Rotorformen). Mehr in den hier behandelten Bereich des Micro Energy Harvesting gehört dagegen das Konzept des Designers Wai Hoong Leng aus Malaysia, der unter dem Namen ‚Wind-Helmet’ einen Fahrradhelm mit eingebautem Windrad entwickelt hat, mit dem er sich im Februar 2009 an dem internationalen Corr77-Designwettbewerb beteiligt.

Diese Technologie ist im Grunde nicht neu, aber weitgehend unbekannt: kleine Windräder werden z.B. schon seit vielen Jahren in Flugzeugen eingesetzt, um mit der durch die Luftströmung anfallende Energie vitale Instrumente wie das Radar oder Teile der Hydraulik weiterarbeiten zu lassen, sollten Primärenergiesysteme ausfallen. Diese sogenannten Ram Air Turbines (RAT) fahren sich in solch einem Fall ganz automatisch aus, ‚fallen’ quasi in den Luftstrom. Durch die Geschwindigkeit des Flugzeugs ergeben sich durchaus beachtliche Energiemengen bis zu 70 kW. Beim größten Passagierjet der Welt, dem Airbus A380, besitzt das ausgeklappte RAT-Windrad einen Durchmesser von knapp 1,60 m – was im Grunde schon weit über die Dimensionen des Micro Energy Harvesting hinausgeht.

Anfang 2009 wollen Forscher am City College of New York (CCNY) diese Idee in deutlich kleinerem Maßstab nun auch im Automobilbau anwenden. Die Wissenschaftler um Prof. Yiannis Andreopoulos am Experimental Fluid Mechanics and Aerodynamics Laboratory entwickeln hierfür einen Energy Harvester, der an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs eingesetzt werden kann, um Elektrizität aus dem Fahrtwind zu erzeugen. Dabei handelt sich um unter 3 cm große rundzylindrische Aufwölbungen, die sich überall am Fahrzeugrumpf oder an der Karosserie befestigen lassen. Durch die elastische Verformung dieser Aufsätze stellt sich ein piezoelektrischer Effekt ein.

Eine seitlich angebrachte rundzylindrische Form der Aufwölbung erweist sich sowohl während der Computersimulationen als auch im Windkanal als besonders gut geeignet, da der Zylinder hier in positive Schwingungen gerät, die den piezoelektrischen Effekt zusätzlich zur auftretenden Windverwirbelung als Hauptenergieträger noch weiter verstärken.

Gemeinsam mit Eugene Papp wird Ende 2009 auch ein Patent eingereicht, das die Umsetzung dieser Technologie in größerem Maßstab zum Inhalt hat. Dabei scheinen die Innovatoren auch Anleihen bei dem sogenannten Aufwindkraftwerk zu machen. Technische Details gibt es allerdings noch nicht, auch von einer tatsächlichen Umsetzung ist noch nichts bekannt.

Eine aus meiner Sicht geniale Umsetzung von Windströmungen bildet das Prinzip des Windbelt von Shawn Frayne, das ich ebenfalls im Kapitel Windenergie ausführlich darstelle (s.d.). Ich glaube, daß es sich bei dieser, bereits 2007 bekannt gewordenen, Methode um die einfachste, am leichtesten herstellbare und auch langlebigste Form aller bislang bekannten Technologien handelt, Strömungsenergie in Elektrizität umzuwandeln – mit einem Gummiband, einer winzigen Kupferspirale und zwei kleinen Magneten. Und schon die kleinsten Prototypen erreichten bei einer 16 km/h Brise einen Output von 40 mW, was bis zu 30 Mal besser ist als die kleinsten (rotierenden) Mikroturbinen.

Mini-Hydro-Turbine

Mini-Hydro-Turbine

Die Strömungen innerhalb von Leitungen – im vorliegenden Fall von Gasleitungen – zu nutzen, ist Inhalt einer im Januar 2009 erstmals publizierten Methode der britischen Firma 2OC. Das Unternehmen hat den Plan, den Druck aus dem Erdgasnetz, der vor der Verteilung des Gases an die Endabnehmer wieder reduziert werden muß, energetisch zurückzugewinnen. Bis 2010 möchte man im Osten Londons dadurch bis zu 20 MW Leistung generieren. Insgesamt wird im Vereinigten Königreich von einem entsprechenden Potential von bis zu 1 GW Strom ausgegangen. Die energetische Umsetzung des Erdgas-Druckabbaus würde mittels 20 cm große ‚Turbo-Expandern’ auf den Rohrleitungen erfolgen.

Da Flüssigkeiten bekanntermaßen eine weit höhere Dichte als Gase haben, werden inzwischen auch Systeme zur Nutzung der Strömung z.B. in Wasserleitungen entwickelt. Im Januar 2009 präsentiert der Designer Jin Woohan auf der Greener Conference in New York beispielsweise eine Mini-Hydro-Turbine, die durch den Wasserdruck aus der Leitung angetrieben Elektrizität erzeugt und als Lader für kleine Elektrogeräte dienen soll.

Immerhin gehen in Deutschland pro Person beim Duschen täglich 20 - 40 l Wasser durch den Abfluß, für die Toilette werden noch einmal 40 l und für die sonstige Körperpflege 5 - 15 l veranschlagt. Rechnet man weitere Verbraucher wie Wasch- oder Spülmaschinen hinzu, das Wässern von Balkon- oder Gartenpflanzen usw., kommen über den Monat hinweg signifikante Mengen an Wasser – und damit an potentiell nutzbarere Energie zusammen.

ECOLight

Das ‚Shawapawa’ wiederum ist eine Wasser-angetriebenes, batteriefreies Radio für die Dusche, mit dem sich der britische Designer Arthur Schmitt beim Core77 Wettbewerb im Februar 2009 bewirbt. Hierzu reicht es aus, das Gerät zwischen dem Wasserhahn und dem Brauseschlauch zu installieren. Das Wasser bringt eine kleine Turbine zum drehen, was ausreichend Energie erzeugt um das Radio betreiben. Um das Sparen von Wasser zu fördern, kann der Benutzer dessen Fluß mit dem leichten Antippen einer Taste stoppen, z.B. während des Einseifens. Sollten beim Duschen über 30 l Wasser verbraucht werde, beginnt ein Warn-LED zu blinken.

Ein Duschkopf mit eigebauten LED-Licht wird im April 2009 in den Blogs vorgestellt. Das ‚ECOLight’ von Osram-Silvanya beleuchtet jeden Duschgang – ohne hierfür Batterien zu benötigen, da es sich dank einer kleinen Wasserturbine selbst mit Strom versorgt. Als zusätzliches Feature färbt sich das ECOLight rot, wenn die Wassertemperatur auf über 41°C steigt. Das Gerät kostet 40 $.


Verdunstungsgenerator

Über den 2006 präsentierten Verdunstungsgenerator von Prof. Michel Maharbiz von der University of Michigan berichte ich ausführlich im Kapitel zur Wasserenergie (s.d.). Es geht dabei um die Nutzung der Mikrokanäle, mit denen Pflanzen Wasser transportieren, bzw. der Umsetzung ihres Prinzips in eine technische Anwendung. Auf den Fotos ist die Verdunstungs-induzierte Bewegung des Mikro-Aktors gut zu sehen, die sich als mechanische Bewegung wiederum in elektrische Energie wandeln läßt.

Im August 2009 berichtet die Presse wieder über die Arbeiten von Maharbiz, nachdem es dem Team an der UC Berkeley gelungen ist, eine Art ‚künstliches’ Pflanzenblatt aus Glas herzustellen, das mittels der Verdunstung einen konstanten Energiefluß abgeben kann. Die Blätter sind aus Glas-Wafern hergestellt und besitzen eine Reihe kleiner, mit Wasser gefüllter Kanäle. Die Flüssigkeit fließt durch die Kanäle, bis sie den Rand des Blattes erreicht wo sie verdunstet.

Glas-Blatt Konzept Grafik

Glas-Blatt Konzept (Grafik)

Die eigentliche Stromerzeugung erfolgt in zentral gelegenen Blattstiel, der mit Metallflächen ausgekleidet ist, die an einen Stromkreis angeschlossen sind. Die durch eine Wasserschicht getrennten, geladenen Metallplatten stellen im Grunde einen Kondensator dar. Da das Wasser, das mit einer Geschwindigkeit von 1,5 cm pro Sekunde durch das Blatt fließt, in regelmäßigen Abständen durch kleine Luftblasen unterbrochen wird, und weil Luft und Wasser unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, wird jedes Mal wenn eine Luftblase zwischen den Platten hindurchstreicht, ein elektrischer Strom erzeugt, der dann geerntet und zur Stromversorgung von Geräten, Wohnungen oder anderen Energieverbrauchern verwendet werden kann.

Jede Blase produziert von 2 bis 5 Mikrovolt, während die Leistungsdichte des gesamten Gerätes 2 Mikrowatt pro Kubikzentimeter beträgt. Maharbiz ist der Auffassung, daß durch eine weitere Optimierung eine Leistungsdichte von mehreren Hundert Mikrowatt pro Kubikzentimeter erreicht werden kann.


Vibration


Zur Umwandlung von Vibrationen und Erschütterungen in elektrischen Strom gib es drei grundlegende Techniken: den Elektromagnetismus, die Piezoelektrizität und die Elektrostatik. Die beiden letzteren Techniken wurden oben bereits beschrieben. Elektromagnetische Systeme, die mit größeren mechanischen Schwingungen betrieben werde, habe ich im Kapitel Muskelkraft vorgestellt.

Als Spin-off der Southampton University wird 2004 das Unternehmen Perpetuum Ltd. gegründet, das sich schon bald als das weltweit führende Unternehmen für das Ernten von Vibrationsenergie bezeichnet. Ab 2006 werden die Mikrogeneratoren in drei Größen und verschiedenen Versionen angeboten. Der speziell für den Einsatz in Hubschraubern entwickelte PMG 27 beispielsweise wiegt 400 g, hat die Maße 53 x 53 mm und liefert 7,5 V/2 mW.

Ähnliche elektromechanische Sensoren, die ihre Energie aus den Vibrationen einer Maschine gewinnen, werden direkt am Gehäuse dieser Maschine befestigt und schlagen über Funk Alarm, wenn diese nicht rund läuft.

Im Mai 2005 stellt das Centre for Energy & Greenhouse Technologies im australischen Churchill, Victoria, unter dem Namen Kinetic Energy Cell (KEC) eine Technologie vor, mit der jegliche Form von Vibration in Elektrizität umgewandelt werden kann. Entwickelt wird diese in Zusammenarbeit mit dem Research Centre for Microtechnology in Melbourne. Zu diesem Zeitpunkt hat die KEC die Größe einer 9 V Batterie – Ziel ist es, auf die Größe einer AA-Batterie zu kommen.

Im Kern besteht das System aus einer Reihe sehr kleiner Spulen und einigen Magneten. Technisch ist eine Anpassung der nur 7 Bauelemente an unterschiedliche Frequenzen möglich, womit sich ein sehr breites Einsatzfeld auftut, angefangen von der Lauffrequenz von Fußgängern bis hin zu Vibrationsfrequenzen des Straßenverkehrs, von Brücken oder sogar von Gebäuden. Als Speichermedium zur Kulminierung der vielen kleinen Energieimpulse bieten sich Superkondensatoren an.

Das Unternehmen arbeitet auch an einem LED-Licht mit eigenem Mikrogenerator. Die Umwandlung der Vibrationen vorbeifahrender Züge, Lastwagen usw. erlaubt eine dauerhaft nutzbare Lichtquelle, ohne daß hierfür Kabel verlegt werden müßten.

Ende 2005 stellt ein gewisser Timothy Mijal das Konzept eines Reifens vor, der mit einer Reihe von Spulen und Neodym-Magneten ausgestattet ist, welche die beim Fahren entstehenden Vibrationen in Strom umwandeln. Sie sollen einen Beitrag zum Nachladen von Elektromobilen während der Fahrt leisten.

Im Mai 2006 erfährt die Öffentlichkeit aus einem Bericht der BBC, daß es seit rund 10 Jahren militärisch motivierte Bemühungen gibt, die Vibrationsenergie marschierender Soldaten in Strom umzuwandeln, um die zunehmende Last an Batterien zu reduzieren, mit der sich die Kämpfer abplagen müssen (sie dürfen nicht einmal die leeren wegwerfen, da diese dem ‚Feind’ ja bei der Spurensuche helfen würden...). Neben Funkgeräten müssen schließlich Nachtsichtgeräte, GPS-Empfänger, diverse drahtlose Sensoren, Zielgeräte, Mobiltelephone, Laptops und anderes mehr mit Strom versorgt werden. Forschungen auf diesem Sektor bilden in den USA daher einen der Schwerpunkte der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Mehr darüber findet sich im Kapitel Muskelkraft.

An der Southampton University wird im Juli 2007 ein weiterer Vibrationsgenerator vorgestellt, der in Zukunft Herzschrittmacher mit Strom versorgen soll. Der ab Januar 2004 und eigentlich für den Einsatz innerhalb von Luftkompressoren entwickelte Generator ist kleiner als ein Kubikzentimeter. Sein Erschaffer Dr. Steve Beeby behauptet, daß er außerdem 10 Mal effizienter sei als alle bislang bekannten Modelle.

Vibrationsgenerator von Beeby

Vibrationsgenerator von Beeby

Der Generator nutzt die in der Umwelt vorhandenen Vibrationen, um Magnete, die auf einem Träger im Zentrum des Gerätes liegen, in Schwingung zu versetzten und Strom im Mikrowattmaßstab zu erzeugen. In einem Herzschrittmacher ist der menschliche Herzschlag stark genug, um die Magneten im Gerät in Schwingung zu halten.

Gefördert wird die Entwicklung durch die EU – im Rahmen des mit 4,13 Mio. € ausgestatteten Projektes ,Vibration Energy Scavenging’ (Vibes), an dem sich folgende Partner beteiligt haben: Tima – Techniques of Informatics and MicroElectronics for Computer Architecture (Frankreich), 01dB-Metravib (Frankreich), Phillips Applied Technologies (Belgien), MEMSCAP (Frankreich), Femto-st, Dept. LPMO – Laboratory of Physics and the measurement of oscillator (Frankreich), Phillips Research, Eindhoven (Niederlande), EPFL – Federal Polytechnical School of Lausanne, Laboratoire de Céramique (Schweiz).

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Vibrationsgeneratoren ist die Stromversorgung von Sensoren an Straßen- und Eisenbahnbrücken, um eine kontinuierliche Überwachung des Tragwerks und der Festigkeit dieser Konstruktionen zu gewährleisten, denn die Zusammenbrüche von Brücken erfolgen nicht vorhersehbar und plötzlich, und oftmals resultieren daraus Todesfälle.

Die Federal Highway Administration veröffentlicht 2006 eine Analyse, der zufolge 25,8 % der USA-weit bestehenden 596.842 Brücken Strukturdefizite aufweisen bzw. nicht mehr verkehrssicher sind. Da viele dieser Brücken jedoch noch für Jahre in Gebrauch sein werden ist ihre ständige Überwachung dringend geboten. Diese erfolgt bislang nur turnusmäßig und rein visuell (!). Konventionelle, mit Batterien betriebene Sensoren, von denen pro Brücke stets mehrere, und z.T. an nur schwer zugänglichen Positionen, eingesetzt werden müßten, würden den kontinuierlichen Austausch von Millionen Batterien erforderlich machen. Für die betroffenen Verwaltungen und Ämter ein Ding der Unmöglichkeit.

In Deutschland ist die Situation noch schlimmer. Eine Studie der Bundesanstalt für Straßenwesen von 2009 kommt zu alarmierenden Ergebnissen: Zwischen 2001 und 2007 ist der Anteil der Bücken mit Schäden von 38,7 % auf 46,1 % gestiegen. Auch fast jede zweite deutsche Autobahnbrücke weist ernstzunehmende Mängel auf. Bei einer Vielzahl der Spannbetonbrücken, die vor 1979 gebaut wurden, sei mangelhafter Stahl zum Einsatz gekommen, sodaß diese theoretisch zusammenbrechen können, ohne daß man zuvor etwas sehen kann.

An der Clarkson University in Potsdam, New York, wird daher eine Technologie entwickelt, mit der die Vibration des Straßenverkehrs zur Versorgung von drahtlosen Kontrollsensoren an diesen Brücken genutzt werden kann. Im Oktober 2007 präsentieren Prof. Pragasen Pillay und Prof. Edward S. Sazonov ein vollständig verkapseltes System, das für eine Lebensdauer von mehreren Dekaden ausgelegt ist. Aufgrund ihrer Präsentation im Januar 2007 beim Transportation Research Board in Washington, D.C., hatten die Forscher Fördermittel erhalten, um ihre Entwicklung fortzuführen.

Ein weiteres Einsatzfeld der Vibrations-Energiewandler bilden die diversen Sensoren in Kraftfahrzeugen, die dann autonom agieren und ohne Verdrahtung auskommen können. Wesentliches Element dabei sind die ‚AmbioMote24 Funksensor-Plattformen’ der 2006 gegründeten und ebenfalls in Potsdam, New York, ansässigen Firma AmbioSystem LLC, die für 200 $ angeboten werden. Das Unternehmen verkauft auch piezoelektrische ,energy harvester’ für 99 $.

M2E Prototypen

M2E Prototypen

Über das Biomechanik-Start-Up M2E Power aus Boise, Idaho, habe ich bereits im vorangegangenen Kapitel Muskelkraft berichtet. Die Ende 2007 vorgestellten Schüttel-Mikrogeneratoren sind insbesondere für den Militärmarkt entwickelt worden, wo sie den Einsatz von Batterien reduzieren sollen. Aus diesem Grund werden die Prototypen entsprechend den üblichen Batterieformen und -größen gestaltet.

Olfa Kanoun, Professorin für Meß- und Sensortechnik an der Technischen Universität Chemnitz, arbeitet wiederum an einem Generator, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit Knopfzellen in Hörgeräten nachzuladen. Ihren Berechnungen nach läßt sich die Lebensdauer einer Batterie allein durch Kau- und Sprech-Energie um ein Zehntel verlängern. Da ein herkömmliches Hörgerät pro Jahr etwa 60 Batterien verbraucht, brächte der ‚Kaugenerator’ eine Ersparnis von etwa 6 Stück. Das wäre immerhin ein guter Anfang, denn der weltweite Batterieverbrauch steigt ständig, während mehr als die Hälfte der Batterien nicht fachgerecht entsorgt werden. Noch existiert der Energiewandler nur theoretisch, da für eine praktische Umsetzung noch nach Partnern und Herstellern aus dem medizinischen Fachbereich gesucht wird.

Auf einer Fachveranstaltung im November 2008 in Essen präsentiert Frau Kanoun die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen die unternommen werden, um das beträchtliche Anwendungspotential energieautarker Systeme zu erschließen, die drahtlos kommunizieren und Energie aus ihrer unmittelbaren Umgebung beziehen können.

Der Schweizer Uhrenmacher Ulysee Nardin entwickelt in Zusammenarbeit mit der Europäischen Gesellschaft SCI Innovationen das weltweit erste mechanische Mobiltelefon, dessen Stromversorgung auf einem mechanischen Rotor basiert, mit dem bislang automatische Uhren angetrieben werden. Bei der ersten Vorstellung im März 2009 gibt es noch nicht viele Details zu erfahren, bekannt wird nur, daß der ,Chairman’ einen integrierten Akku enthält, der die kinetische Energie des Rotors speichert. in seiner Gestaltung integriert das Gerät diesen Rotor so, daß er an der Rückseite des Telefons gut sichtbar ist. Über ein Erscheinungsdatum oder einen Preis verlautete bislang noch nichts, vermutlich wird es jedoch nur eine begrenzte Auflage (zu überteuerten Preisen) geben.

Ein ähnliches Konzept bietet auch das ‚Atlas’-Handy aus Aluminium und Glas, dessen Energieversorgung ebenfalls über kinetische Energie erfolgen soll, wie bei Armbanduhren, die man nicht aufziehen muß. Dieses Design erscheint übrigens schon ein Jahr vor der Nardin-Entwicklung in den Blogs.

Im April 2009 präsentiert Kyocera das Konzept eines zukünftigen zusammenklappbaren Handys, das mit kinetischer Energie betrieben wird. Das von der Industriedesignerin Susan McKinney entworfene ,EOS’-Handy besteht aus einer nachgiebigen, halbsteifen Polymer-Hülle, die das flexible OLED-Display umgibt.

Seine Energie erhält das EOS durch menschliche Interaktion, d.h. je mehr es benutzt wird, desto mehr kinetische Energie wird freigesetzt, die in einem piezoelektrischen Generator von Nano-Größe in Strom umgewandelt wird und das Handy lädt. Genauere technische Details sind noch nicht bekannt.

Intrigue

Intrigue

Eine künstlerische Auseinandersetzung mit dem Thema Micro Energy Harvesting bilden die pilzartigen Strukturen, die der Künstler Peter Dalton im September 2009 unter dem etwas langen Titel ,Touch Powered By Intrigue Concept’ in einem stark frequentierten Fußgängerbereich aufstellt. Die durch Berührung entstehende Bewegung wird von einem piezokeramischen Kern in Strom umgesetzt, welcher die Leuchtfasern im Kopf des ‚Pilzes’ zum Strahlen bringt.

Ebenfalls im September 2009 wird in den Blogs die interessante Idee von Continuum vorgestellt, snowboards mit den langsam auf den Markt kommenden ‚E-Ink’-Displays zu laminieren. Diese könnten dann über ebenfalls eingebaute Sensoren die von Fahrer erwünschten Daten zur Geschwindigkeit, Himmelsrichtung, Höhe oder Zeit darstellen. Und wie anders als mit Piezogeneratoren, die auch in das Brett eingebaut sind, sollten die Displays mit Strom versorgt werden? Dabei reicht es, das Brett vor dem Losfahren ein paar Mal leicht zu biegen, der weitere Strom wird dann während der Fahrt erzeugt.

An der University of Houston wiederum wird erforscht, wie sich diese Effekte verstärken oder sogar auf andere Materialien übertragen lassen. 2009 wird z.B. festgestellt, daß sich die Piezoelektrizität von Bariumtitanat um 300 % gesteigert werden kann, wenn das Material in Form von 2 Nanometer dünnen Streifen unter Druck gesetzt wird.

Ein Team der Duke University veröffentlicht im Oktober 2009 die Ergebnisse seiner Versuche, durch den Einsatz von Magneten ein breiteres Spektrum von Vibrationsfrequenzen zu nutzen. Bei dem Gerät handelt es sich um einen kleinen Freischwinger aus piezoelektrischen Material, mehrere Zentimeter lang und einen halben Zentimeter breit, an dessen einem Ende ein Magnet befestigt ist, der mit anderen, fest installierten, Magneten interagiert. Durch die Veränderung der Entfernung des beweglichen Magneten ist es möglich, die Wechselwirkungen des Systems mit seiner Umgebung zu ‚stimmen’ und dadurch Elektrizität über ein breiteres Spektrum von Frequenzen zu erzeugen.


Wärme


Über die verschiedenen Effekte, die zwischen Temperatur, Elektrizität und/oder Elektromagnetismus wechselwirken, spreche ich ausführlich im Kapitel Wärmeenergie.

Im Zusammenhang mit dem Micro Energy Harvesting sollen hier die aktuellen Entwicklungen der vergangenen Jahre präsentiert werden, wobei es primär um die Ausnutzung sehr geringer Temperaturunterschiede geht.

Das bereits 1881 gegründete japanische Unternehmen Seiko stellt im Dezember 1998 eine neuartige Uhr vor, die ausschließlich durch die Körpertemperatur ihres Trägers betrieben wird. Die Energie für die Seiko Thermic entsteht aus der Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft. Als Betriebstemperatur werden - 10°C bis + 60°C angegeben.

2006 erscheint in den Blogs das Konzept eines Ringes mit dem (vermutlich Wortspiel-inspirierten) schönen Namen ‚Remember Ring’, der seinen Energiespeicher ebenfalls durch die Körpertemperatur auflädt. Er ist mit einer Kalenderfunktion ausgestattet, die sich bemerkbar macht, indem sich der Ring 24 Stunden vor dem eingestellten Datum (Hochzeitstag!) jede Stunde für rund 10 Sekunden auf 50°C aufheizt. Allerdings hat der Spaß mit dieser ‚Hot Spot’-Technologie auch seinen Preis: 760 $. Und leider scheint sich dieses intelligente Konzept bislang noch nicht zu einem Produkt entwickelt zu haben.

Wesentlich höhere Temperaturen nutzt die Entwicklung einer US-Firma namens Eneco. Der fast mikroskopisch kleine Thermal Chip nutzt das Thermoionische Prinzip um Wärme in Strom umzuwandeln. Dieser entsteht durch Temperaturunterschiede zwischen einem warmen und einem kalten Metall, zwischen denen sich ein Vakuum befindet. Umgekehrt soll der Chip bei Anlegen einer Spannung eine Kühlleistung von bis zu – 200°C erzielen. Anstatt dem produktionstechnisch nur kompliziert erreichbaren Vakuum, nutzt Eneco eine Schicht aus einem speziellen thermoelektrischen Halbleitermaterial zwischen den zwei Wärmepolen, die wiederum von einer isolierenden Keramikschicht abgedeckt sind.

Thermoionic Energy Chip

Thermoionic Energy Chip

Die Betriebstemperatur des Chips, über den Ende 2006 erstmals berichtet wird, liegt zwischen 275°C und 600°C, sein Wirkungsgrad wird mit 20 % – 30 % angegeben (US-Patent 7.109.408). Siehe dazu auch die Beschreibung des Thermoionischen Generators im Kapitel Wärmeenergie. Auch wenn diese Systeme nur im Bereich hoher Temperaturen sinnvoll einzusetzen sind, so gibt es im Verkehrswesen und in der Industrie genügend entsprechende Einsatzfelder, in denen die direkte und verschleißfreie Umwandlung von Abwärme sinnvoll erscheint.

Eneco meldet Anfang 2008 allerdings Konkurs an, obwohl zwei unabhängige Überprüfungen durch das National Institute of Standards and Technology (NIST, zuvor: National Bureau of Standards) die technischen Angaben des Unternehmens bestätigt haben.

Auch am Heinz-Nixdorf-Institut an der Universität Paderborn arbeitet man 2008 an energieautarken Systemen. Neben den bekannten Piezokeramiken und elektromechanischen Generatoren werden hier ebenfalls thermoelektrische Elemente untersucht. In diesen werden in einem Halbleitermaterial durch den Temperaturunterschied zwischen einer kalten und einer warmen Seite Elektronen zum Fließen gebracht – ähnlich wie in einer Photovoltaik-Zelle durch Sonnenenergie. Die ersten thermoelektrischen Elemente wurden übrigens schon vor mehr als zwanzig Jahren in Satelliten eingesetzt, wo sie das extrem starke Temperaturgefälle zwischen deren sonnenbeschienener und deren dunkler Seite nutzten.

An der University of California in Santa Cruz beschäftigen sich Prof. Ali Shakouri und seine Quantum Electronic Group seit 2005 mit der thermoionischen Energiewandlung. Das Team arbeitet daran, auch bei niedrigeren Temperaturen eine hohe Effizienz zu erreichen. Außerdem will man Herstellungstechniken sowohl für skalierbare Lösung im Watt- bis MW-Bereich, als auch für leichte, leise und kostengünstige Dünnschicht-Geräte entwickeln.

Anfang 2005 bestimmt das Department of Energy (DOE) die Amerigon-Tochterfirma BSST in Irwindale, Kalifornien, um die Entwicklung von effizienten und praktikablen thermoelektrischen Systemen weiter voranzutreiben. BSST steht dabei einer Gruppe hochkarätiger Unternehmen und Institute vor, die sich gemeinsam an den Forschungsarbeiten beteiligen: Visteon Corporation, Teledyne Energy Systems, BMW Nordamerika, UC Santa Cruz, Purdue, das National Renewable Energy Laboratory (NREL) der DOE sowie das JPL/CalTech.

Das Ziel ist es, mittels thermoelektrischer Stromgeneratoren die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen um 10 % anzuheben. Die zweite der insgesamt vier Entwicklungsphasen, für die ein Gesamtetat von 4,7 Mio. $ bereitstehen, endet im Januar 2007. BSST arbeitet außerdem an Projekten des US-Verteidigungsministeriums und des DOE mit, bei dem thermoelektrische Komponenten mit einer SOFC-Brennstoffzelle kombiniert werden, um bei der Stromproduktion auf einen Wirkungsgrad von 60 % zu kommen.

Die bausteinartig zusammensetzbaren Versuchselemente des Unternehmens bestehen aus Kupferprofilen, zwischen denen sich die thermoelektrischen Elemente befinden. Die Wärmezufuhr erfolgt durch die Bohrungen in den hexagonalen Schienen, während die flachen Seiten an den Kältepolen von Wärmetauschern montiert sind. Der erzeugte Strom wird direkt von den Kupferschienen abgenommen.

Die Mutterfirma Amerigon mit Hauptsitz in Northville, Michigan, verkauft bereits mehr als 1,2 Mio. thermoelektrische Luft-zu-Luft Geräte pro Jahr, mit denen in vielen Fahrzeugen die Sitze gekühlt bzw. erwärmt werden.

Weitere Projekte bestehen an der Clarkson University, wo gemeinsam mit dem Unternehmen Hi-Z aus San Diego ein Prototyp in einen GM Sierra eingebaut wird, was eine Brennstoffersparnis von 2 % erbringt, sowie bei dem US-Unternehmen Caterpillar, wo man von einer erreichbaren Einsparung von bis zu 13 % ausgeht.

Im Februar 2007 meldet der Forscher Arun Majumdar von der University of California in Berkeley einen Erfolg bei der Direktumwandlung von Wärme in Strom, in dem organische Moleküle wie Benzenedithiol,  Dibezenedithiol oder Tribenzenedithiol zwischen metallischen Nanopartikeln aus Gold plaziert und damit ein organisches thermoelektrisches Material hergestellt wird. Diese Technik gilt als erstmalige Umsetzung des Seebeck-Effekts bei organischen Molekülen und eröffnet die Möglichkeit völlig neuartiger Kühlgeräte und Energiewandler.

Im Rahmen einer maximalen Temperaturdifferenz von 30°C erzielen die Wissenschaftler für jedes Grad Temperaturunterschied bei Benzenedithiol 8,7 µV, bei Dibezenedithiol 12,9 µV und bei Tribenzenedithiol 14,2 µV. Auch diese Forschungen werden vom DOE gefördert, von der National Science Foundation und vom Berkeley-ITRI Research Center, einem Kooperationsprojekt im Bereich der Nano-Energie zwischen der Universität Berkeley und dem Industrial Technology Research Institute in Taiwan.

Besonderes Interesse besteht daran, die menschliche Körperwärme als Energiequelle zu nutzen. Entsprechende thermoelektrische Generatoren (TEG) aus Halbleiterelementen werden 2007 auch von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen in Erlangen entwickelt – gemeinsam mit Kollegen von den Fraunhofer-Instituten für Physikalische Meßtechnik IPM und für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

TEG des Fraunhofer-Instituts

TEG des Fraunhofer-Instituts

Bislang erreichen die Geräte aufgrund der relativ geringen Temperaturdifferenz zwischen der Körperwärme und der Umgebungstemperatur erst etwa 200 mV. Ziel ist es jedoch, mindestens 1 – 2 V zu erzielen, um elektronische Geräte versorgen zu können. Hierfür wird eine sogenannte ‚Ladungspumpe’ entwickelt, welche die geernteten Millivolt so lange speichert, bis ein Output von 1,8 V erreicht wird.

Gleichzeitig werden jedoch auch Schaltungen entwickelt, die mit 50 – 200 mV auskommen. Die Wissenschaftler glauben, daß durch weitere Verbesserungen der Schaltsysteme in Zukunft ein Temperaturunterschied von nur 0,5°C für die Stromerzeugung ausreichend sein wird.

Weitere Unternehmen und Institute beschäftigen sich mit dem Micro Energy Harvesting aus Umgebungswärme. In Princeton, New Jersey, arbeitet z.B. die Firma Syrdec an einem Verbundwerkstoff, der als Kern einer passiven Brennstoffzelle aus normaler Raumtemperatur von 23°C genügend Strom erzeugen kann, um elektronische Geräte zu versorgen. Und die bereits oben erwähnte französische CEA entwickelt den Prototypen eines thermoelektrischen Generators, der pro Quadratzentimeter einen Output von 4 µW pro Grad Temperaturunterschied erwirtschaftet.

An der University of Utah stellen Orest Symko und sein Team Mitte 2007 eine Methode vor, mit der Wärme zuerst in Schallwellen, und diese anschließend in Elektrizität umgewandelt werden. Letzterer Schritt ist eine seit Jahrzehnten bekannte Methode, bei der sogenannte akustische Wärmemotoren (acoustic heat engines o. thermoacoustic prime movers) zum Einsatz kommen.

Diese Thermokaustik geht auf die Mitte des 19. Jh. zurück und ist mit Namen wie Lord Ralyleigh oder dem niederländischen Physiker P. L. Rijke verknüpft, dessen ,Rijke-Rohr’ dazu genutzt werden kann, um Wärme in Töne umzuwandeln.

Kernelement des Generators ist ein Zylinder, der Luft und ein Material mit großer Oberfläche enthält, z.B. Glasfasern oder Stahlwolle, welche zwischen zwei Wärmetauschern plaziert werden. Wird dem System nun von einer Seite Wärme zugeführt bis ein bestimmter Grenzwert erreicht ist, beginnt die Luft im Innern zu vibrieren und erzeugt einen einfrequenten Ton wie eine Flöte. Dabei wirkt der Zylinder ähnlich wie der Resonanzkörper einer Geige und verstärkt eine bestimmte Tonhöhe. Hierdurch gelingt es, Hitze in einen Ton, also die chaotische Bewegung der Luftmoleküle in regelmäßig schwingende Luftteilchen zu verwandeln, die ihrerseits eine piezoelektrische Elektrode in Schwingung versetzen, welche wiederum den elektrischen Strom erzeugt.

Die nach zweijähriger Forschung von Symko vorgestellten optimierten und miniaturisierten Generatoren (11 – 18 cm lang) erreichen bereits einen Wirkungsgrad von 40 % und können hocheffiziente Kraftwerke, Autos oder sogar eine neue Generation von Solarzellen möglich machen. Die Zylinder lassen sich so klein bauen, daß sie für Menschen unhörbaren Ultraschall erzeugen. Ein derartiger Generator könnte dann auch in Laptops eingebaut werden, deren Abwärme dann nicht länger den Schoß des Laptopnutzers erhitzt... sondern den Akku des Computers auflädt.

Außerdem hat die Gruppe den bislang kleinsten akustischen Wärmemotor von nur 1,8 mm Länge hergestellt, der zu Clustern zusammengesetzt pro Kubikzentimeter 1 W erzeugt. Die Serienreife soll Mitte 2009 erreicht werden. Das Forschungsvorhaben wird maßgeblich von der US-Army finanziert.

Das Los Alamos National Laboratory und die Firma Northrop Grumman Space Technology stellen schon im August 2004 einen kompakten, einfachen und langlebigen Wärmewandler mit einem Wirkungsgrad von 14 % vor, der insbesondere für den Einsatz in der Raumfahrt gedacht ist. Wichtigstes Systemelement ist eine kleine Version des thermoakustischen Stirlingmotors, der um 1999 in Los Alamos entwickelt wurde. Dieser besitzt im Gegensatz zu den sonstigen Stirlings keinerlei beweglichen Teile mehr, die Umwandlung von Wärme und Schallwellen erfolgt ausschließlich durch einen Kreislaus aus komprimiertem Helium zwischen Wärmetauschern, wobei die Bewegung des Gases den Ton erzeugt.

Im Generator treibt der Schall anschließend einen Kolben an, der eine Kupferdrahtspule innerhalb eines magnetischen Feldes bewegt und den Strom erzeugt. Die bislang in der Raumfahrt genutzten thermoelektrischen Energiewandler erreichen Wirkungsgrade um 7 % und liefern pro Kg Masse 5,2 W, während der neue thermoakustische Stirlingmotor sogar bis zu 8,1 W/Kg produzieren kann. Ein raumtaugliches Modell soll innerhalb von 2 – 5 Jahren bereitstehen.

Die ebenfalls seit 1999 laufende Entwicklungsarbeit des Los Alamos National Laboratory und der in Connecticut beheimateten Firma Praxair wird 2003 mit dem New Horizons Idea Award des World Oil Magazine ausgezeichnet – da sie neben einem thermoakustischen Kühlschrank auch eine kostengünstige Methode zur Verflüssigung von Erdgas mittels thermoakustischer Systeme zum Inhalt hat. Dies nur als Hinweis darauf, was man mit dieser Technologie noch sonst so alles machen kann...

1999 beginnt auch der ex-Drummer Dr. Steven Garrett an der Pennsylvania State University damit, mit der Thermoakustik zu experimentieren. Ab 2002 entwickelt er – gesponsort von dem umweltbewußten Speiseeis-Hersteller Ben & Jerry und dessen Mutterkonzern Unilever – verschiedene Prototypen von Kühlgeräten, die ausschließlich mittels eines 100 Hz / 190 db Resonators betrieben werden und außer Helium keine anderen Chemikalien oder Gase benötigen. Der nach außen dringende Schall liegt dabei unterhalb von 60 db.

Insbesondere für den Einsatz in ländlichen Gebieten Afrikas und Asiens wird das thermoakustische Prinzip im Rahmen des im Februar 2007 gestarteten multinationalen Projektes SCORE (Stove for cooking, refrigeration und electriciy) umgesetzt, das hierfür mit einer Summe von 2 Mio. britischen Pfund ausgestattet ist. Dabei geht es um die Entwicklung eines holzbefeuerten Generators, der außer zum Kochen auch zum Kühlen von Nahrung geeignet ist. Immerhin nutzen noch heute rund 2 Milliarden Menschen offene Feuer, bei dem etwa 93 % der entstehenden Hitze ungenutzt bleibt!

Beim SCORE-Ofen wird die Wärme nicht nur zum Kochen verwendet, sondern auch zu einem Rijke-Rohr geleitet, das sie in einen Ton umwandelt. Dessen Transformation in Elektrizität bewerkstelligen jedoch keine piezoelektrischen Elemente, sondern ein linearer Alternator, der ähnlich wie die im Kapitel Muskelkraft beschriebenen M2E-Geräte funktioniert. Durch die Schallwellen wird ein Magnet innerhalb einer Spule hin und her bewegt und so ein Strom induziert.

Demonstrationsmodell von SCORE

SCORE
Demonstrationsmodell

Die Zielvorgaben für den 3.-Welt-Generator lauten: Gewicht 10 – 20 kg, Verbrauch 2 Holzscheite/h, Leistung 1,6 kW thermisch und 100 W elektrisch (über Pufferbatterie), Preis rund 30 €.

SCORE beabsichtigt, lokale Kräfte auszubilden, um die Herstellung der meisten Komponenten in Werkstätten vor Ort durchzuführen. Die Großproduktion soll ab 2012 beginnen – ins Auge gefaßt sind 1 Mio. Stück pro Jahr. Bis dahin wird auch untersucht, ob Versionen für Brennstoffe wie Dung oder Gas sinnvoll sind.

Grundlegend für die SCORE-Entwicklung sind die thermoakustischen Stirlingmotoren und Kühlgeräte, die im Laufe der vergangenen Jahre am Los Alamos Forschungsinstitut, von der NASA und vom US-Militär entwickelt worden sind. Im Juni 2008 erhält das SCORE-Konsortium sein erstes Patent (Nr. 0811686.5) über ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren mit teilweise sehr dünnen und leichten Materialien. Anfang 2010 sollen in Nepal Feldversuche mit dem SCORE-Konzept beginnen.

Im August 2007 gibt die Firma Industrial Nanotech Inc. aus Naples, Florida, bekannt, daß man seit drei Jahren an einer Isolationsschicht arbeitet, die – z.B. in Häuserwänden eingelassen – die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen nutzt, um Strom zu produzieren. Nun sollen erste Prototypen hergestellt und Patente beantragt werden.

Anfang 2008 stellt der ehemalige NASA-Wissenschaftler Lonnie Johnson in seinem in Atlanta, Georgia, neugegründeten Unternehmen Johnson ElectroMechanical Systems Inc. sein ‚Johnson Thermoelectric Energy Conversion System’ (JTEC) vor, das beispielsweise Solarwärme mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 % umwandeln soll. Bei dem auch ‚Johnson Ambient Heat Engine’ (JAHE) genannten Gerät wird der wärmeinduzierte Luftdruck dazu genutzt, Ionen durch eine Membran zu pressen, anstatt einen Kolben oder ein Rad zu bewegen. Das System soll schon bei den üblichen Temperaturschwankungen der Umwelt zufriedenstellend funktionieren.

Thermoelektrische Module nach dem Seebeck-Effekt bestehen bislang aus dem teuren Halbleiter Wismuttellurid und weisen Wirkungsgrade von 3 % – 8 % auf. Daß auch das viel günstigere Silizium als Stromgenerator geeignet ist, wenn es in die Form von Nanodrähten gebracht wird, berichten Anfang 2008 Wissenschaftler der University of California in Berkeley. Dabei handelt es sich um Strukturen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 nm, die den ansonsten recht dürftigen thermoelektrischen Effekt von Silizium etwa um das 100fache steigern können. Ähnliche Ergebnisse werden auch am California Institute of Technology in Pasadena erzielt, wo man besonders dünne und kantige Si-Nanodrähte mit bis zu 20 nm Durchmesser auf einer isolierenden Siliziumdioxid-Unterlage fixiert. Die Nanodrähte werden dabei fast so effizient wie Wismuttellurid. Mitbeteiligt an den Forschungen ist auch hier das DOE.

Power Bolt Thermogenerator

Power-Bolt Thermogenerator

Im März 2008 stellt die Freiburger Micropelt GmbH den Prototypen eines TE-Power-Bolt Thermogenerators in Form einer Schraube vor, der Batterien in Drahtlos-Sensoren ersetzen soll. Mit der M24-Stahlschraube, in die ein Thermogenerator eingebaut ist, kann Energie für Milliwatt-Verbraucher von Oberflächen und Strukturen ab 10°C – 20°C über Umgebungstemperatur abgenommen werden. Ab etwa 10°C Temperaturunterschied zur Umgebungsluft liefert der integrierte Gleichstromwandler zwischen 0,2 und 15 mW. Die Spannung kann dabei konstant zwischen 1,2 und 5 V eingestellt werden.

Das Interuniversitair Micro-elektronica Centrum vzw (IMEC) im belgischen Leuven präsentiert gemeinsam mit dem Holst Centre im April 2008 ein batterieloses, tragbares 2-Kanal EEG, das einem Kopfhörer ähnelt und von einem hybriden Energiesystem versorgt wird, das sowohl über einen thermoelektrischen Generator die Körperwärme als auch mittels Photozellen das Umgebungslicht nutzt, um Gehirnwellen aufzuzeichnen. Die damit in Innenräumen geernteten 1 mW reichen für den Betrieb völlig aus.

Ebenfalls im April 2008 meldet die Presse aus dem UAB Research Park die Herstellung des weltweit ersten Nanomotors, der rein durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Beteiligt daran sind Forscher des CIN2 (Nanoscience and Nanotechnology Research Centre, CSIC-ICN), des CNM (National Microelectronics Centre, CSIC), des ICMAB (Institute of Material Science, CSIC), des UAB Department of Electronic Engineering, der Universität Wien und des EPFL in Lausanne, Schweiz.

Der ‚Nanotransporter’ besteht aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Achse und einem weiteren, kürzeren konzentrischen Nanoröhrchen, das sich mit ‚Fracht’ wie Metallen beladen hin und her - oder als Rotor bewegen läßt, indem an die beiden Enden des längeren Röhrchens unterschiedliche Temperaturen angelegt werden. Dabei bewegt sich das kürzere Röhrchen von der wärmeren zur kälteren Seite, ähnlich wie bei der normalen Wärmekonvektion.

Prof. Avigdor Schertz vom Weizmann Institute in Israel und Roie Yerushalmi, der im kalifornischen Berkeley forscht, gründen 2005 die Firma Salio, mit Sitz in New Jersey, um ihre ‚molekulare Feder’ zu vermarkten. Diese Feder, die in der Forschungsabteilung in Ness Ziona entwickelt wurde, ist in der Lage äußere Energie in Form von Wärme, Licht oder sich verändernden Ph-Werten in kinetische Energie zu verwandeln. Obwohl die Technik nach eigener Aussage noch sehr kompliziert sei, geht Salio ab 2008 auf die Suche nach Kapital um das System weiterzuentwickeln, das in Sensoren und Detektoren installiert die ersten Tests bereits erfolgreich absolviert hat.

Das Unternehmen Solar Botanic Ltd. aus London präsentiert 2008 das Konzept eines künstlichen Baumes, der sowie die Lichtstrahlung als auch Wind und Regen zur Stromerzeugung nutzt. Die ‚Nanoleaf’ genannten Blätter des Baumes sind photoaktiv, beinhalten thermoelektrische Elemente und sitzen an piezoelektrischen Stengeln. Über die Effizienz liegen noch keine genauen Angaben vor, das Unternehmen schätzt jedoch, daß ein mittelgroßer Baum ausreichend Strom für einen 1-Personen-Haushalt erzeugen kann.

Wenn solche Technologien im Großen umgesetzt werden, dann handelt es sich zumeist um konventionelle Systeme zur Abwärmenutzung, wie ich sie im Kapitel Wärmeenergie noch ausführlicher vorstelle.

Ein Vorreiter hierbei ist das Bruchsaler Justus-Knecht-Gymnasium, das mit der Abwärme der Schüler beheizt wird. Und auch im Stockholmer Zentralbahnhof soll die Abwärme der täglich 250.000 hindurchströmenden Menschen über Wärmetauscher im Ventilationssystem dazu beitragen, die 40.000 m2 des Kungsbrohuset Büro- und Geschäftshauses zu beheizen, das bis 2010 neben dem Bahnhof errichtet wird. Da es noch keine Vergleichswerte gibt, hoffen die Entwickler einer vorsichtigen Schätzung zufolge, bis zu 15 % des Heizbedarfs des Gebäudes decken zu können.

Spannungswandler des IIS

Spannungswandler des IIS

Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) wird Anfang 2009 an einem System gearbeitet, bei dem die Körperwärme Batterien ersetzen soll. Der Spannungswandler arbeitet mit minimalen Eingangsspannungen ab 20 Millivolt und kann mit geringsten aus der Umwelt gewonnene Energiemengen elektrische Kleinstverbraucher betreiben.

Der lediglich 1,5 mm x 1,5 mm große IC versorgt kommerzielle Elektronik wie Sensoren, drahtlose Funk-Sendeempfänger und Displays mit Spannungen von bis zu 3,3 V. Der Wirkungsgrad liegt dabei je nach Last und Eingangsspannung zwischen 30 % und 80 %. Bei einem Temperaturunterschied 2°C zwischen der menschlichen Haut und dem Raumklima liefert ein 2 x 2 cm großer Thermogenerator zusammen mit dem neuen Spannungswandler-IC bis zu 4 mW.

Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (IPM) in Freiburg werden wiederum Sensoren entwickelt, welche die Außenhaut von Flugzeugen kontrollieren sollen. Entdecken sie Beulen oder Risse, funken sie dies an eine Überwachungseinheit. Die hierfür benötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen der Umgebung (- 20°C bis - 50°C) und der Passagierkabine mit etwa plus 20°C. Da kein Bedarf daran besteht, irgendwelche Batterien zu wechseln, können die Sensoren auch an unzugänglichen Stellen angebracht werden.

Das Entwicklungskonsortium wird von den EADS Innovation Works geleitet. Verwendet werden thermoelektrische Generatoren, welche die Micropelt GmbH aus Freiburg zusammen mit dem IPM entwickelt und optimiert.

Zu den Finalisten des James Dyson Award 2009 gehört ein Armband des französischen Designerteams Mathieu Servais, Camille Lefer, Clément Faydi und Mickaël Denié, das den Peltier-Element bzw. den Seebeck-Effekt nutzt um aus der Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und der anderen Oberfläche, die in Berührung mit der Haut bleibt, Strom zu erzeugen. Dieser wird in einem integrierten Li-Po Akku gespeichert um später dazu benutzt zu werden ein Mobiltelefon aufzuladen. Ein winziges Display in Form mehrerer Kleinst-LEDs zeigt den jeweiligen Ladezustand des ‚Dyson Energy Bracelet’ genannten Designs.

Viele weiteren Informationen gibt es im Kapitelteil zum Thermoelektrischen/Seebeck-Effekt (TEGs).


Weitere Technologien


Zu diesen gehört z.B. der große Bereich der Energie-Rückgewinnung, den ich jedoch weitgehend unterteilt habe. So wird die Wärmerückgewinnung gesondert behandelt, während die Rückgewinnung von Bewegungsenergie oben bereits ausgeführt wurde. Die bislang am häufigsten umgesetzten Technologien betreffen die Rückgewinnung von Bremsenergie.

Neben einer Vielzahl kommerzieller Systeme gibt es hier auch Sonderanwendungen, wie beispielsweise bei der Formel 1.

Die Firma Freescale Semiconductor gibt im November 2008 bekannt, daß man in Zusammenarbeit mit McLaren Electronic Systems ein regeneratives Bremssystem entwickelt, das dem Wagen beim Beschleunigen zusätzliche Beschleunigungskraft verschafft und bereits in der Rennsaison 2010 zum Einsatz kommen soll.  

Daß man aber auch die langsame Bewegung fester Massen (abwärts) nutzen kann, und dies sogar in industriellem Maßstab, beweist wiederum die 3.200 m hoch in den Anden gelegen Kupfermine Los Pelambres, Chile, die mit Automatisierungs- und Antriebslösungen von Siemens ausgestattet ist. So erzeugt das 13 km lange abwärtsfördernde Bandanlagensystem für Kupfererz elektrische Energie, die in das Netz eingespeist wird. Ab einer bestimmten Beladung arbeiten die Antriebe der Bandanlage im Generatorbetrieb, wodurch potentielle Energie des abgebauten Kupfererzes in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei seiner nominalen Beladung erzeugt das Förderband 17 MW. 2007 beträgt die so erzeugte Strommenge 90 Mio. kWh – so daß man hier wahrlich nicht mehr von einem ‚Micro Energy Harvesting’ sprechen kann (ich wüßte allerdings nicht, wo ich diese Energieerzeugungsmethode sonst einordnen sollte...).

Eigenoszillation

Eigenoszillation

Kehren wir daher zurück zu den kleinen Dimensionen: Im August 2007 teilen Wissenschaftler des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) mit, daß sie einen ersten NEMS (Nano-Electro-Mechanical System) Stromgenerator in der Größe einiger Nanometer entwickelt haben, der die Energie für künftige Nanomaschinen liefern könnte. Bislang war dies nur in der Größenordnung der MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), also von Mikrometern, möglich.

Bei dem aktiven NEMS handelt es sich um eine oszillierende Nanoröhre aus Silizium, die ohne äußere Energiequelle ein periodisches elektrisches Signal erzeugen kann. Angestoßen durch ein elektrisches Feld wird eine Instabilität erzeugt, die Schwingungen zur Folge hat, welche wiederum die Spannung beeinflussen und sich so aufrechterhalten.

Inspiriert werden die Forscher um Prof. Emmanuel de Langre und Dr. Olivier Doare von einem allseits gut bekannten hydrodynamischen Phänomen: Wenn man eine Flüssigkeit durch eine elastische Röhre oder einen Schlauch preßt, dann erzeugt dies eine kräftige Oszillation – wie man sie vom umherhüpfenden Gartenschlauch kennt.

 

Während noch lange nicht absehbar ist, welche Umwälzungen das neue ,Energie-Ernten’ mit sich bringen wird, kann das Potential des riesigen Reservoirs der geothermischen Energie, dem wir uns als nächstes widmen, schon ziemlich gut abgeschätzt werden.

 

Weiter...