Schallbetriebene Sensoren Batterien einsparen: Forschende entwickeln schallbetriebenen Sensoren

Anbieter zum Thema

ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

Bicker Elektronik GmbH

DMB Technics AG

Forschende der ETH Zürich haben einen Sensor entwickelt, der für die Steuerung von elektronischen Geräten die Energie aus Schallwellen nutzt. Wird die nicht wiederaufladbare Batterie mit solchen Konzepten langsam zum Auslaufmodell?

Die Batterie hat uns etliche Vorteile eingebracht, etwa die Tragbarkeit elektronischer Geräte für eine erhöhte Mobilität sowie ihre vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten in großen und vor allem kleinen Geräten. Das Problem: Handelt es sich bei dem Energielieferanten nicht um einen wiederaufladbaren Akku, dann ist die Lebensdauer stark begrenzt und danach entsteht Müll, der aufgrund der Bestandteile einer Batterie kritisch zu sehen ist. Enthaltene Schwermetalle können schwere Umwelt- und Gesundheitsschäden verursachen, sofern die Batterien nicht ordnungsgemäß entsorgt oder recycelt werden.

Nicht wiederaufladbare Batterien sind weitverbreitet und finden ihren Einsatz beispielsweise in Überwachungssensoren und Gehörprothesen. Einer Schätzung des von der EU unterstützten EnABLES-Projekt aus dem Jahr 2020 zufolge werden bereits im kommenden Jahr, also 2025, weltweit 78 Millionen Batterien entsorgt. Täglich.

Bildergalerie

Eine beachtliche Menge. Kann man diesen schädlichen Müllberg reduzieren? Forschende der ETH Zürich haben einen schallbetriebenen Sensor entworfen, der Energie aus Schallwellen für die Steuerung elektronischer Geräte nutzt. In den Augen der Teamleiter Marc Serra-Garcia und Geophysikprofessor Johan Robertsson bietet die Entwicklung Potenzial, künftig unzählige Batterien einzusparen.

Die Macht des Schalls

„Der Sensor funktioniert rein mechanisch und braucht keine externe Energiequelle. Er nutzt lediglich die Schwingungsenergie, die in Schallwellen enthalten ist“, so Johan Robertsson in der Bekanntmachung. Die Energie, die die Schallwellen eines Geräuschs verursachen, reicht von der Größe des Impulses her aus, um ein ausgeschaltetes elektronisches Gerät einzuschalten.

Der Prototyp, der bereits patentiert wurde, ist in der Lage, zwischen den gesprochenen Worten „three“ und „four“ zu unterscheiden, die über eine unterschiedliche Schallenergie verfügen. Neuere Varianten des Sensors, die bereits viel kleiner als der Prototyp ausfallen, sollen bis zu zwölf Worte unterscheiden können; Standards wie „on“, „off“, „up“ und „down“. War der Prototyp noch handtellergroß, ist die aktuelle Generation etwas so groß wie ein Daumennagel. Künftig sollen die Sensoren aus Silizium noch weiter schrumpfen.

Meta-Material genutzt

Die Forschenden weisen darauf hin, dass der Sensor nicht aufgrund der Materialwahl über seine Eigenschaft verfügt, sondern aufgrund der verwendeten Struktur. Es handelt sich um Dutzende von gleich oder ähnlich strukturierten Siliziumplättchen, die über Stege miteinander verbunden sind und die als Feder fungieren. „Das spezielle Design dieser mikrostrukturierten Plättchen und wie sie miteinander verhängt sind, entwickelten die Forscher mithilfe von Computermodellen und Algorithmen. Diese Federn sind auch entscheidend, ob eine bestimmte Schallquelle den Sensor in Gang setzt oder nicht“, so heißt es.

Den Einsatz dieser batterielosen Sensoren sehen die Forschenden um Serra-Garcia und Robertsson etwa in der Gebäudeüberwachung. „Das spezielle Design dieser mikrostrukturierten Plättchen und wie sie miteinander verhängt sind, entwickelten die Forscher mithilfe von Computermodellen und Algorithmen. Diese Federn sind auch entscheidend, ob eine bestimmte Schallquelle den Sensor in Gang setzt oder nicht“, heißt es weiter. Auch in der Überwachung von stillgelegten Bohrungen ließen sich mithilfe der Sensoren Lecks entdecken, da durch undichte Stellen austretende Gase etwa ein charakteristisches Zischen erzeugen.

Gleichzeitig sehen die Entwickler einen Nutzen für den Sensor, wenn er in medizinischen Geräten verbaut wird. Gehörschnecken-Implantate benötigen eine dauerhafte Stromzufuhr, die aktuell über normale Batterien gewährleistet wird. Allerdings müssen diese regelmäßig ausgetauscht werden; ein Umstand, der auf die Sensoren des ETH-Teams eigenen Angaben zufolge nicht zutreffen würde.

Zur dauernden Messung des Augendrucks ließen sich die Sensoren ebenfalls nutzen. Überdies gäbe es einen Nutzen für die Industrie, die auf der Suche nach Nullenergie-Sensoren ist. Die Forschenden hoffen, zusammen mit dem niederländischen Amolf-Forschungszentrum weiter an der Verbesserung der Sensoren zu arbeiten und bis zum Jahr 2027 einen soliden Prototyp an den Start zu bringen. (sb)

Natrium-Ionen-Batteriezellen

Goldgräberstimmung um das weiße „Gold“ der Energiebranche

MEMS-Sensoren

Gase, Luftqualität und Feuchtigkeit überwachen

(ID:49895213)