Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Durchbruch im Bereich der Sensorik erzielt. Sie entwickelten einen selbstversorgenden, batterielosen Sensor, der Energie aus seiner Umgebung erntet, um seine Funktionen auszuführen. Wichtig ist dieser Sensor vor allem im Hinblick auf eine barrierefreie Zukunft. Der Hintergrund des Projektes in einfachen Worten: aus Luft wird Energie!
Ein Sensor, der aus der Luft Energie schöpft
Im Kern des Sensors ist ein System verbaut, welches magnetische Energie (die wiederum von stromführenden Kabeln erzeugt wird) nutzen kann. Dieser Ansatz macht den Einsatz von Batterien oder verkabelten Verbindungen quasi überflüssig.
Die Forscher des MIT haben ihre Ergebnisse in der Januar-Ausgabe des IEEE Sensors Journal präsentiert. Angeboten wird dort ein sogenannter Design-Leitfaden für energiesammelnde Sensoren. Dieser Leitfaden hilft offiziellen Angaben zufolge Ingenieuren, das verfügbare Energieangebot in der Umgebung mit den Sensing-Bedürfnissen des Geräts in Einklang zu bringen.
Herausforderungen und Design
Schwierig bei der Entwicklung dieses Sensors war zum Beispiel, dass das System in der Lage sein muss, einen sogenannten Kaltstart durchzuführen, also seine Elektronik ohne anfängliche Spannung zu starten. Dies wurde durch ein Netzwerk integrierter Schaltkreise und Transistoren erreicht, das Energie speichert, bis genügend Strom für den vollen Betrieb vorhanden ist.
Zweitens musste das System die geerntete Energie effizient speichern und umwandeln, und das ohne Batterie. Um so etwas zu erreichen, setzten die Forscher auf interne Energiespeicher, die Kondensatoren beinhalten. Diese Kondensatoren sind einfacher als Batterien und speichern Energie im elektrischen Feld zwischen leitenden Platten. Sie sind so konzipiert, dass sie groß genug sind, um die benötigte Energie für das Einschalten und den Beginn des Energieerntens zu speichern, aber klein genug, damit die Aufladephase nicht zu lange dauert.
Entwicklung von Steuerungsalgorithmen
Schließlich entwickelten die Forscher eine Reihe von Steuerungsalgorithmen, die dynamisch die gesammelte, gespeicherte und genutzte Energie des Geräts messen und verwalten. Ein Mikrocontroller, quasi das Gehirn der Energiemanagementschnittstelle, überprüft ständig, wie viel Energie gespeichert ist.
Es entscheidet dann auch, ob der Sensor ein- oder ausgeschaltet wird, ob eine Messung durchgeführt oder das Erntesystem hochgefahren werden soll, um mehr Energie für komplexere Sensing-Anforderungen zu sammeln.
Die Zukunftsmusik
Mit diesem Designrahmen entwickelten die Forscher einen Energiemanagementkreislauf für einen handelsüblichen Temperatursensor. Das Gerät erntet magnetische Feldenergie und verwendet sie, um kontinuierlich Temperaturdaten zu sammeln, die es über Bluetooth an eine Smartphone-Schnittstelle sendet.
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung war aber die Energieintensität der Datenübertragung. Zukünftige Forschungen des Teams könnten sich auf weniger energieintensive Übertragungsmethoden, wie Optik oder Akustik, konzentrieren.
Übrigens: Die Arbeit des MIT-Teams wird teilweise vom Office of Naval Research und The Grainger Foundation unterstützt.
Quellen: Massachusetts Institute of Technology (MIT), Christine Daniloff
