IoT
08.05.2023, 12:38 Uhr
Piezoelement revolutioniert Internet der Dinge
Vom Herzschrittmacher bis zum Flugzeug: Ein verzerrter Kristall könnte Strom in ausreichender Menge liefern, um die Nutzung des IoT massiv nachhaltiger und günstiger zu machen.
Vibrationen eines Flugzeugs erzeugen Strom für Sensoren
(Quelle: Pixabay/Lars Nissen)
Forscher der University of Waterloo und der University of Toronto machen die Stromversorgung von Milliarden Sensoren und Sendern für das Internet der Dinge, welche die Daten an eine Steuerzentrale übertragen, sicherer. Das Konzept basiert auf dem piezoelektrischen Prinzip, das zwar seit Langem bekannt ist, aber für anspruchsvollere Anwendungen zu wenig Strom erzeugt. Dieses Manko hat das Team um die Waterloo-Forscher Dayan Ban und Asif Khan nun ausgeräumt.
Elektrische Energie aus Druck
«Unser Durchbruch wird erhebliche soziale und wirtschaftliche Auswirkungen haben, indem wir unsere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen verringern. Wir brauchen diese energieerzeugenden Materialien in diesem Moment dringender als zu irgendeinem anderen Zeitpunkt in der Geschichte», ist Khan überzeugt.
Bei piezoelektrischen Materialien wird Druck in elektrische Energie umgewandelt. Die kanadischen Forscher nutzen keine natürlich vorkommenden Mineralien, die diesen Effekt aufweisen, sondern züchten einen Einkristall, basierend auf Kupferchlorid. Darauf wenden sie ein chemisches Verfahren namens Jahn-Teller-Effekt an, der die schöne gleichmässige Kristallstruktur verzerrt.
Unordnung, ansonsten oft ungewollt, führt in diesem Fall zum Ziel – eine grössere Energieausbeute, auch wenn der Druck nur gering ist. Künftig könnten, so die Wissenschaftler, die Vibrationen eines Flugzeugs dessen sensorische Überwachungssysteme mit Strom versorgen. Ebenso könnte der Herzschlag Energie für einen Herzschrittmacher liefern.
Assistenz vom Superkondensator
Bei unregelmässigen Vibrationen oder Drücken, die beispielsweise bei Maschinen auftreten, die nicht rund um die Uhr laufen, könnte ein Piezoelelement mit einem Superkondensator gekoppelt werden, der in Stillstandszeiten Strom liefert. Der Generator könnte praktisch überall eingesetzt werden, denn mit 2,5 Zentimetern im Quadrat und der Dicke einer Visitenkarte fällt er kaum auf.
Die batterielose Versorgung von Systemen, die im energieintensiven Internet der Dinge eingesetzt werden, ist aus zwei Gründen wichtig. Zum einen schont der Verzicht auf Batterien die Umwelt, zum anderen wird der regelmässige Austausch von Akkus überflüssig, der äusserst personalintensiv und damit teuer ist.
