Fraunhofer IFAM Erster gedruckter Thermogenerator

Der von Fraunhofer-Forschern entwickelte gedruckte Thermogenerator wandelt Umgebungswärme in Strom und lässt sich dank seiner flexiblen Struktur passgenau auf die jeweilige Oberfläche aufbringen.
Der von Fraunhofer-Forschern entwickelte gedruckte Thermogenerator wandelt Umgebungswärme in Strom und lässt sich dank seiner flexiblen Struktur passgenau auf die jeweilige Oberfläche aufbringen.

Durch eine gezielte Kombination von thermoelektrischen und metallischen Werkstoffen ist es Forschern am Fraunhofer IFAM gelungen, Strukturen zu drucken, die sich als thermoelektrische Generatoren nutzen lassen. Damit könnte eine ganz neue Generation energieautarker Sensoren entstehen.

Sensoren finden in vielen Bereichen der Industrie Einsatz, vor allem in der Maschinen- und Anlagenüberwachung spielen sie eine immens wichtige Rolle. Sie messen Temperaturen, Feuchtigkeit oder Abnutzung, per Funk werden die Daten an Rechner übertragen und ausgelesen. Das erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der überwachten Teile. Immer häufiger kommen dazu drahtlose Sensornetzwerke zum Einsatz, die kaum Energie verbrauchen und die den Strom, den Sensor, Recheneinheit und Funkmodul benötigen, statt aus einer Batterie direkt aus der Umgebung beziehen. Elektrische Energie lässt sich zum Beispiel aus Wärme oder Bewegung gewinnen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen stellen auf der electronica nun einen gedruckten Thermogenerator vor, der künftig die Energie für die Sensoren aus Temperaturunterschieden generiert und der sich dabei auch noch exakt an die technische Oberfläche anpassen lässt.

»Drahtlose Sensornetze helfen dabei, sicherheitsrelevante Bauteile einfacher zu überwachen«, erklärt Dr. Volker Zöllmer, Abteilungsleiter Funktionsstrukturen, der sich am Fraunhofer IFAM mit dem Thema Energy Harvesting beschäftigt. »Damit die Sensoren optimal arbeiten, müssen sie direkt auf die Oberfläche der Bauteile aufgebracht oder sogar in diese integriert werden. Dabei erfolgt die Stromversorgung meist per Kabel oder Batterie. Doch die begrenzte Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterien sowie das Thema Recycling sind kritische Punkte für die Anwender. Unserer Erfahrung nach definiert eine zu wechselnde Batterie das Design einer Anwendung maßgeblich mit und schränkt somit die flexible Auslegung ein.«

Damit die Sensornetze 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 die Sensoren und Sensornetze als auch die Elemente für die Energieernte produzieren – wie zum Beispiel ein Thermogenerator«, erläutert Zöllmer. »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, sondern es ist auch möglich, Strukturen zu erzeugen, die Energie ernten.«

Durch die gezielte Kombination von metallischen und thermoelektrischen Werkstoffen, die nacheinander aufgetragen werden, haben die Forscher Strukturen hergestellt, die sich als thermoelektrische Generatoren nutzen lassen. Der große Vorteil: Die gedruckten Thermogeneratoren 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.

Fraunhofer auf der electronica 2012: Halle A5, Stand 121, www.fraunhofer.de