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Informationsdienst Wissenschaft - idw - Pressemitteilung
Technische Universität Chemnitz, Katharina Thehos, 11.11.2008 11:18

Energy Harvesting

Lebensrettende Sensoren und Kaugeneratoren fürs Hörgerät

Professur für Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz erforscht, wie
sich Energie aus der Umgebung gewinnen lässt
Fachveranstaltung am 17. und 18. November 2008 in Essen

Energie aus der Umgebung zu gewinnen, ist für viele Menschen
allgegenwärtig. Dass man aber nicht nur Windkraft- oder Solaranlagen
zur Stromerzeugung nutzen kann, sondern auch mit deutlich kleineren
Energiewandlern arbeitet und das als Energy Harvesting bezeichnet -
davon können nur wenige berichten. Eine von ihnen ist Prof. Dr. Olfa
Kanoun, Inhaberin der Professur für Mess- und Sensortechnik der TU
Chemnitz: "Unter Energy Harvesting versteht man die Versorgung eines
Systems von Energie aus seiner unmittelbaren Umgebung. Im Gegensatz zu
den allgemein bekannten Energiequellen der Natur wie Licht und Wind
rücken hier vor allem Vibrationen, Temperaturunterschiede,
Luftströmungen und mechanische Bewegungen in den Fokus der
Betrachtungen." Auch wenn derzeit große Forschungs- und
Entwicklungsanstrengungen unternommen werden, sind energieautarke
Systeme, die aus verschiedenen Quellen Energie beziehen, nicht
unbekannt. Kanoun sieht in einer Mühle oder einem Fahrraddynamo nichts
anderes als einen Energy Harvester. Neu ist jedoch das beträchtliche
Anwendungspotential, das sich durch den technischen Fortschritt und
begünstigt durch die Miniaturisierung ergibt.
 
Keine Kabel dank neuer Technik

Durch Systeme, die drahtlos kommunizieren und Energie aus ihrer
unmittelbaren Umgebung beziehen, kann nicht nur auf Kabel verzichtet
werden, sondern auch die Energieversorgung an schwer zugänglichen
Stellen flexibel durch mobile unabhängige Anwendungen gewährleistet
werden. So wurden beispielsweise Reifendruckmessungen realisiert, die
zur Reduzierung von Verkehrsunfällen beitragen: "Um den Druck eines
Reifens zuverlässig zu ermitteln, muss die Messung im Reifen selbst
vorgenommen werden. Da sich dieser jedoch dreht, sind Kabellösungen
undenkbar und eine indirekte Messung durch Auswertung der gefahrenen
Kilometer zu ungenau. 
Eine direkte Überwachung mit Echtzeitrückmeldung
haben erst mikromechanische Sensoren ermöglicht, die fest im Rad
verbaut sind und bei jeder Bodenberührung einem Schock ausgesetzt
werden. Dieser wird zur Energiesammlung genutzt, die dann zur Messung
des Drucks und Weitergabe an das Steuergerät ausreichen", erläutert
Kanoun. Gerade in Zusammenhang mit der Reduzierung des
Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes sind Möglichkeiten zur thermoelektrischen
Energierückgewinnung am Automobil besonders interessant.
Automobilhersteller erhoffen sich dadurch einen wesentlichen Beitrag
zur Reduzierung des Kraftverbauchs. 

Weitere Vorteile von Energy
Harvesting-Lösungen liegen zudem in der Reduzierung des Installations-
und Wartungsaufwandes, da in bestehende drahtlose Systeme Änderungen
schneller umgesetzt und sich Nachrüstungen einfacher gestalten lassen.
Energy Harvesting überwindet so die Einschränkungen der
kabelgebundenen klassischen stationären Energieversorgungskonzepte,
was den derzeitigen Boom und das Interesse seitens der Industrie
erklärt.

Intelligente Wohnumgebungen für mehr Sicherheit älterer Menschen

Wie breit mögliche Anwendungsfelder hierbei in Erscheinung treten
können, zeigt ein Blick auf den demografischen Wandel in Deutschland.
Denn vor allem die Zahl der Senioren, die alleinstehend leben, steigt
stetig. Um diesen die Möglichkeit zu geben, möglichst lang
eigenständig in ihren eigenen Wohnungen zu leben, müssen spezielle
Wohnumgebungen geschaffen werden. "Sogenannte Ambient Assisted Living-
Systeme tragen diesen Ansprüchen Rechnung", erklärt Kanoun und
ergänzt: "Darunter lassen sich eine Vielzahl von
informationstechnischen Hilfsmittel zusammenfassen, die in das Umfeld
älterer Menschen integriert werden, um so ihren Alltag zu
erleichtern." So können auch gesundheitliche Überwachungssysteme
eingesetzt und betrieben werden. Der Grundgedanke dahinter ist denkbar
einfach: Der Zustand von älteren Personen kann  mit Sensoren überwacht
werden, die verschiedene Vitalparameter wie Atem- und Herzfrequenz,
Körpertemperatur und die charakteristische Beschleunigung beim Stürzen
aufnehmen. Werden kritische Werte erreicht, leiten die Systeme diese
autonom an eine Zentrale weiter, wodurch ein schnelles Eingreifen
ermöglicht und schlimmen Folgen vorgebeugt werden kann. Für bessere
Mobilität und Tragekomfort ist die Nutzung ambienter Energie von
besonderer Bedeutung.

Wie man aus Kaubewegungen Strom für Hörgeräte gewinnen kann

Die Lebensqualität einer Vielzahl von Menschen nicht nur in
Deutschland, sondern auch weltweit, wird vor allem durch ein Leiden
stark beeinflusst: Schwerhörigkeit. Obgleich Trotz dass ein Mensch von zehn
schwerhörig ist, tragen nur 20 Prozent  von diesen Personen ein
Hörgerät. Der filigrane Batteriewechsel stellt vor allem für ältere
Personen eine große Hürde dar. "Dabei verbraucht ein herkömmliches
Hörgerät im Jahresdurchschnitt bis zu 60 Batterien. Allein in
Deutschland werden rund 1,6 Milliarden Batterien jährlich verwertet.
Auch wenn man nur einen Teil dieser einsparen könnte, würde man nicht
nur einen wesentlichen Beitrag für die Umwelt leisten, sondern auch
die Mobilität, Flexibilität und den Komfort für die Anwender deutlich
verbessern können", weiß Kanoun. Mithilfe von Energy Harvesting hat
die Chemnitzer Professorin dabei schon einen Weg zur Verlängerung der
Betriebsdauer dieser Knopfzellen gefunden. Der Grundidee folgend, wird
Energie am Körper gesammelt, die dann zur Unterstützung der Hörgeräte-
Batterien eingesetzt wird. Der Fokus lag dabei vor allem auf durch den
Menschen erzeugte Vibrationen und Bewegungen. So musste als erstes
festgestellt werden, wie viel Energie der menschliche Körper an
welchen Stellen absondert. 
Dazu wurden von den Wissenschaftlern
verschiedene Situationen des täglichen Lebens untersucht: Lesen, Essen
und Laufen, die mit Sensoren an Händen, Kiefer oder Beinen aufgenommen
wurden. "Mit den gemessenen Bewegungen haben wir dann ein
theoretisches Modell für einen entsprechenden Energiewandler
aufgestellt, um abschätzen zu können, durch welche Bewegung die größte
Energie abgefangen werden kann", erklärt Kanoun. Das Ergebnis ließ
selbst die Wissenschaftler staunen - entgegen aller Erwartungen kann
nicht in der Vibration bei der Laufbewegung die meiste Energie
gesammelt werden, sondern bei der Bewegung des Kiefers beim Ohr, die
durch Kauen oder Sprechen während des Tages erzeugt werden. "Das ist
besonders erfreulich. Damit kann die Energie dort gewandelt werden, wo
sie auch gebraucht wird", so Kanoun. Die derzeitigen Bemühungen der
Professorin und deren wissenschaftlichen Mitarbeiter an der Professur
richten sich nun direkt auf die Konzeption eines Systems, der aus den
Vibrationen am Kiefer eine Spannung oder einen Stromfluss erzeugt,
diesen speichert oder direkt additiv der Batterie im Hörgerät zur
Verfügung stellt. Die Herausforderungen liegen dabei unter anderem in
der Konzeption eines miniaturisierten elektromechanischem Wandlers.
Etwa die Größe eines Stecknadelkopfes muss er haben, damit er sich
problemlos als Element direkt in das Hörgerät integrieren lässt. Die
derzeit laufenden Forschungen konzentrieren sich aber auch auf das
kritische Energiemanagement, bei dem der Generator die schwankenden
Werte in eine konstante Spannung umwandeln muss, um sie dem Hörgerät
zuführen zu können. Das Potential dieser Entwicklung ist dabei sehr
hoch - lassen sich durch die schonende Behandlung der Batterien übers
Jahr verteilt damit etwa sechs einsparen. Noch existiert der
Energiewandler nur theoretisch, da das Finden des richtigen Rahmens
für dieses Projekt einige Zeit in Anspruch nimmt. "Für eine praktische
Umsetzung suchen wir vor allem nach Partnern und Herstellern aus dem
medizinischen Fachbereich, die an einer Zusammenarbeit hinsichtlich
batterieschonender Systeme für Hörgeräte, wie auch an einer
gemeinsamen Entwicklung von Vitalparametermessungen interessiert
sind", erklärt Kanoun.

Qualitative Absicherung industrieller Energiewandler

Der derzeitige Boom von Energy Harvesting-Systemen geht auch an der
Industrie nicht spurenlos vorbei. Viele Hersteller drängen mit
Energiewandler und Generatoren auf den Markt - die Herausforderung
liegt jedoch hier in der zuverlässigen Ausgestaltung dieser Systeme.
Sie müssen nicht nur schwankende Energien ausgleichen können, sondern
zuverlässig funktionieren, auch wenn sich Umgebungsbedingungen
vorübergehend ändern. Dazu entwickelt die Chemnitzer Professur für
Mess- und Sensortechnik derzeit eine Testplattform, die als kleines
Zertifizierungslabor agieren kann, um verschiedene Systemkomponenten
eines Energiemanagementsystems unter verschiedenen Umweltbedingungen
zu testen. "Wir untersuchen und charakterisieren hier bereits
bestehende, von der Industrie angekaufte, unterschiedliche Wandler. So
testen wir unter anderem, wie viel Energie bei welcher Aktion erzeugt
und gleichzeitig verbraucht wird", erklärt Kanoun und fügt hinzu: "Wir
haben uns ja im Bereich des Energy Harvesting selbst den Auftrag
gegeben, die Verfügbarkeit von verschiedenen Energieformen in diversen
Anwendungen nachzuweisen und zu bemessen, und stehen vor allem für die
Industrie und die Systemhersteller gern als kompetenter
Ansprechpartner bereit."

Weitere Informationen rund um das Thema Energy Harvesting gibt Prof.
Dr. Olfa Kanoun bei der 2. Fachveranstaltung "Energy Harvesting -
Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme" am 17. und 18. November
2008 im Haus der Technik in Essen. Eingeladen sind interessierte
Zuhörer aus Industrie und Forschung. Nähere Informationen zu der
Veranstaltung: http://www.energieautarke-sensorik.de

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Olfa Kanoun, Professur für
Mess- und Sensortechnik der TU Chemnitz, 
E-Mail olfa.kanoun@etit.tu-chemnitz.de.
 

 

 

 

 

 

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