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Energy Harvesting: Sensor erntet Energie aus Magnetfeld

Ein Team des MIT hat eine neue Energiequelle für das Energy Harvesting erschlossen.



Ein Team aus den USA hat einen Temperatursensor gebaut, der seine Energie von einem Elektrokabel bezieht – allerdings, ohne daran angeschlossen zu sein.

Der Sensor bezieht seine Energie aus dem Magnetfeld um das Kabel. Weil er ohne Batterie auskommt, die gewechselt oder geladen werden muss, könnte er an schwer zugänglichen Orten angebracht werden, beispielsweise im Inneren einer Maschine. Er misst kontinuierlich die Temperatur und überträgt die Daten per Bluetooth an ein Smartphone.

Energy Harvesting nennt sich diese Form der Energieversorgung. "Das ist Umgebungsenergie – Energie, für die ich keine spezielle, gelötete Verbindung herstellen muss. Dadurch ist dieser Sensor sehr einfach zu installieren", sagte Steve Leeb, Elektrotechniker und Informatiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sein Team hat einen Design-Leitfaden für Energy-Harvesting-Sensoren verfasst, der in der Fachzeitschrift IEEE Sensors Journal erschienen ist.

Der Sensor sitzt an einem Kabel

Der Sensor könnte an einen stromführenden Draht geklemmt werden, um die Motortemperatur zu überwachen. Die Energie würde er aus dem Magnetfeld beziehen. Energie lasse sich laut dem MIT-Team auch aus anderen Quellen beziehen, etwa aus Sonnenlicht oder Vibrationen. So könnten Sensornetzwerke aufgebaut werden, die geringe Kosten für Installation und Wartung verursachen.

"Wir haben ein Beispiel für einen batterielosen Sensor geliefert, der etwas Nützliches tut, und gezeigt, dass dies eine praktisch umsetzbare Lösung ist", sagte Daniel Monagle. "Jetzt werden andere hoffentlich unseren Rahmen nutzen, um ihre eigenen Sensoren zu entwickeln. "

In seinem Leitfaden definiert das Team einige Anforderungen für solche Sensoren. Dazu gehört, dass ein Sensor einen Kaltstart durchführen kann. Das erreichte das Team, indem es ein System aus integrierten Schaltkreisen und Transistoren konstruierte, die Energie speichern. Das System schaltet sich erst dann ein, wenn genug Energie für den vollen Betrieb verfügbar ist.

Kondensatoren speichern Strom

Als Nächstes muss das System effizient Energie speichern, und das ohne einen Akku. Der würde das Ganze komplexer machen und könnte zudem ein Brandrisiko sein. Deshalb setzt das Team auf Kondensatoren, die keine langen Ladezeiten benötigen, aber genug Energie für den Start und den Betrieb speichern. Das System muss die Energie zudem über einen längeren Zeitraum speichern, weil es Wochen oder Monate dauern kann, bis sich der Sensor einschaltet. Dann muss genug Energie verfügbar sein.

Wichtig ist deshalb das Energiemanagement. Dafür das Team Steuerungsalgorithmen, die Energiespeicherung und -nutzung planen. Ein Mikrocontroller prüft ständig, wie viel Energie gespeichert ist, und entscheidet, ob der Sensor ein- oder ausgeschaltet wird, ob er messen oder ob das Energiesammelsystem hochgefahren werden soll, damit mehr Energie für komplexere Aufgaben verfügbar ist.

Als größte Schwierigkeit erwies sich dabei die Kommunikation: Diese benötige sehr viel mehr Energie als die Temperaturmessung. "Sicherzustellen, dass der Sensor genug Energie gespeichert hat, um Daten zu übertragen, ist eine ständige Herausforderung, die ein sorgfältiges Design erfordert", sagte Monagle. Das Team will sich deshalb mit Methoden der Datenübertragung beschäftigen, die weniger energieintensiv sind, etwa optischen oder akustischen Verfahren.

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