Energy Harvesting Thermogenerator aus dem Drucker

Drahtlose Sensornetzwerke überwachen Maschinen und Anlagen. Die Energie, die sie zum Übertragen der Messwerte brauchen, »ernten« sie immer öfter aus ihrer Umgebung. Ein gedruckter Thermogenerator soll zukünftig die Energieversorgung von Sensoren aus Temperaturunterschieden generieren.

Der Rechner gibt Alarm: Der Motor einer Maschine droht zu überhitzen. Das meldet der Thermosensor, der direkt am Motorgehäuse angebracht ist. Die Information geht an den Wartungsdienst, der sich darum kümmert, dass die Ursache gefunden wird. Sensoren gehören in Fabriken, Automobilbau und vielen anderen Bereichen zum Alltag.

Sie messen Temperaturen, Feuchtigkeit oder Abnutzung. Per Funk werden die Daten an Rechner übertragen und ausgelesen. Das erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der Teile - etwa ob Wartungsarbeiten oder Reparaturen anstehen. Immer häufiger kommen heute drahtlose Sensornetzwerke zum Einsatz, die kaum Energie verbrauchen und den Strom, den Sensor, Recheneinheit und Funkmodul benötigen, statt aus einer Batterie sogar direkt aus der Umgebung »ernten«.

Elektrische Energie lässt sich zum Beispiel aus Wärme oder Bewegung gewinnen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM haben auf der Messe electronica einen gedruckten Thermogenerator vorgestellt, der exakt an die technische Oberfläche angepasst werden kann. Drahtlose Sensornetzwerk helfen dabei, sicherheitsrelevante Bauteile einfacher zu überwachen.

Damit die Sensoren optimal arbeiten, müssen sie direkt auf die Oberfläche der Bauteile aufgebracht oder sogar in diese integriert werden. Die Stromversorgung erfolgt meist per Kabel oder Batterie. Doch die begrenzte Speicherkapazität und Lebensdauer der Akkus sowie das Thema Recycling sind kritische Punkte. Eine zu wechselnde Batterie definiert das Design einer Anwendung maßgeblich mit und schränkt somit die flexible Auslegung ein.

Überwachung mit energieautarken Sensoren

Damit die Sensornetzwerke sich überhaupt für eine Energieversorgung mittels Energy-Harvesting-Verfahren eignen, dürfen sie nur wenig Strom verbrauchen. Wenn die Sensoren in »intelligenten« Netzen nur beim Senden und Empfangen der Daten aktiv sind, wird nur noch Energie im Milliwatt-Bereich benötigt. Diese Menge können zum Beispiel Thermogeneratoren liefern, die Umgebungswärme in Strom umwandeln.

Die IFAM-Forscher nutzen neue Produktionsverfahren, um solche Generatoren passgenau herzustellen. Mit generativen Fertigungsverfahren lassen sich sowohl Sensoren und Sensornetze als auch die Elemente für die Energieernte wie zum Beispiel Thermogeneratoren produzieren: Durch das direkte Aufbringen von Strukturen aus funktionalen Materialien auf Basis von Tinten oder Pasten mittels Ink-Jet, Aerosol-Jet, Siebdruck oder Dispensverfahren können nicht nur elektrische Schaltkreise und Sensorelemente auf verschiedene Oberflächen aufgebracht werden.

Es ist auch möglich, Strukturen zu erzeugen, die Energie ernten. Durch die gezielte Kombination von metallischen und thermoelektrischen Werkstoffen, die nacheinander aufgetragen werden, stellen die Forscher Strukturen her, die sich als thermoelektrische Generatoren nutzen lassen. Der große Vorteil: Die gedruckten Thermo-generatoren lassen sich exakt an die technischen Oberflächen anpassen. Das macht die Sensoren weniger störanfällig, da die Energieversorgung direkt an die jeweiligen Anforderungen adaptiert werden kann.