Energy Harvesting Forschungsprojekt Sensoren füttern mit Umgebungswärme

Um Sensoren mit Strom zu versorgen, entwickeln Wissenschaftler des IPH und PCI flexible thermoelektrische Generatoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen können.
Um Sensoren mit Strom zu versorgen, entwickeln Wissenschaftler des IPH und PCI flexible thermoelektrische Generatoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen können.

Der Akku ist leer, ein Kabel reißt und schon sind wichtige Sensoren nicht mehr mit Strom versorgt. Ein Projekt des IPH soll dieses Szenario zukünftig verhindern.

Ein automatisierter Produktionsprozess bedarf vieler Sensoren. Diese müssen mit Strom versorgt werden, damit sie Messdaten aufnehmen, verarbeiten und senden können.

In einem gemeinsamen Projekt arbeiten Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) und des Instituts für Physikalische Chemie und Elektrochemie (PCI) der Leibniz Universität Hannover daran, einen flexiblen, thermoelektrischen Generator zu entwickeln. Dieser soll nach dem Prinzip des Energy Harvesting in der Lage sein, selbstständig Energie aus der Umgebung zu generieren.

Calciumkobaltoxid statt giftigem Bismuttellurid

Die Wissenschaftler haben zunächst das Ziel, eine Calciumkobaltoxid-Paste zu entwickeln, die sich günstig und skalierbar in einem einfachen Siebdruckprozess verarbeiten lässt. Aus dieser Paste werden kleine „Beinchen“ (engl. Legs) gedruckt.

Ein zweites Material dient zur Kontaktierung. Beinchen aus Calciumkobaltoxid und Kontaktmaterial werden abwechselnd aufgebracht und bilden eine Reihe aus vielen Paaren (engl. Couple). Jedes dieser Paare erzeugt durch den Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite eine kleine Spannung. In Reihe geschaltet addieren sich diese zu einer Gesamtspannung, mit der die Sensorknoten betrieben werden können.

Im Anschluss prüfen die Wissenschaftler, welche geometrische Auslegung sich am besten eignet, um einen maximalen Leistungsoutput zu erreichen. Außerdem untersuchen sie, wie viel Energie ein solcher Generator tatsächlich bereitstellen kann und wie groß er dabei sein darf.

Thermoelektrischer Effekt nach Seebeck

Der geplante Generator macht sich den thermoelektrischen Effekt nach Seebeck zunutze. Dieser besagt, dass es in einem Leiter mit örtlich unterschiedlicher Temperatur durch Thermodiffusion zur Ausbildung eines elektrischen Feldes kommt. Zwischen der heißen und der kalten Seite entsteht also eine elektrische Spannung, die genutzt wird, um einen Sensorknoten anzutreiben. Der Sensorknoten besteht wiederum aus einem Mikrokontroller, mehreren Sensoren und einem Sender. Wird der Mikrokontroller mit Strom versorgt, sind die daran angebrachten Sensoren in der Lage, Informationen aufzunehmen und durch den Sender weiterzugeben.