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MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Vibration (III)


Daniel Tomicek, Student der neuseeländischen Victoria University, entwickelt Berichten vom November 2012 zufolge einen Erdbebensensor, der durch die Kraft des Erdbebens selbst betrieben wird, das er gerade detektiert und dokumentiert. Kraft genug entfaltet dieses ja wahrlich. Derzeit werden alle Sensoren, die bei Erdbeben Informationen übertragen, mit Batterien betrieben – oder sind an die Gebäudestromversorgung angeschlossen.

Der neue Vibrations-Sensor soll in Gebäuden zum Einsatz kommen, die bei Erdbeben potentiell sehr stark wackeln. Er nutzt dabei die kinetische Energie des wackelnden (Hoch-)Hauses, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Gleichzeitig mißt er die auf das Gebäude wirkenden Belastungen und Beschleunigen und übermittelt die Datenpakete kabellos an einen Computer.

Noch befindet sich der gemeinsam mit Prof. Winston Seah und Ramesh Rayudu konstruierte Prototyp in Entwicklung. Erste Tests im ,Te Papa’s Earthquake House’, einer kleinen Hütte im Museum of New Zealand, die künstlich den Belastungen eines Erdbebens ausgesetzt wird, hat der Sensor aber schon erfolgreich bestanden.


Auf der IDTechEx Energy Harvesting and Storage Konferenz im November 2012 in Washington, D.C., wird die Arbeit eines Teams der Stony Brook University um Prof. Lei Zuo und seine Doktoranden Reddy Penamalli, Teng Lin und John Wang, bei der es um Eisenbahn-Energie-Harvester auf der Basis von mechanischen Bewegungsgleichrichtern geht (Mechanical Motion Rectifier, MMR), als ,Beste Anwendung von Energy Harvesting’ ausgezeichnet.

MMR-Harvester

MMR-Harvester

Neben der technischen Innovation, das unregelmäßige Auf und Ab der Schwingung in eine Drehung für den elektrischen Generators zu transformieren, betont Zuo die synergistische Integration eines Schwungrads in das Energy-Harvesting-System, um die derzeitige Energieumwandlungseffizienz von 55 – 72 % noch weiter zu erhöhen und eine konstante Leistung zu erreichen.

Der von Zuo und seinem Team entwickelte neue Harvester wandelt die unregelmäßige, oszillierende Bewegung der Bahn-induzierten Gleisschwingungen mittels zwei Einwegkupplungen in eine regelmäßige, unidirektionale Bewegung um – ähnlich wie ein elektrischer Spannungsgleichrichter Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Dabei kann die Erfindung 200 W an elektrischer Energie bereitstellen.

Die MMR-basierte Technologie wirds der Firma Electric Truck LLC/Harvest NRG Inc. lizenziert, die das Projekt bereits zu Anfang unterstützt haben. Das Unternehmen ist uns schon weiter oben bei den Stoßdämpfern begegnet. Weitere Förderung wurde dem Projekt durch das University Transportation Research Center des US-Verkehrsministeriums, die New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), die SUNY Research Foundation und die Privatindustrie gewährt.


Im Januar 2013 stellt das Centre for Smart Infrastructure and Construction (CSIC) an der University of Cambridge in Großbritannien ein von Prof. Kenichi Soga und seinen Mitarbeitern entworfenes neues Gerät vor, das Schwingung in Elektrizität umwandelt, um kleine Fernüberwachungsgeräte zu versorgen.

Das CSIC war im Jahr 2011 gegründet worden, um neue Technologien zu entwickeln und zu kommerzialisieren, die eine intelligente Infrastruktur möglich machen, vor allem mittelsneuer Sensor- und Datenmanagement-Technologien, die eine kontinuierliche Überwachung von Straßen, Tunnel und Brücken ermöglichen.

Das Gerät des CSIC-Teams basiert auf einem Phänomen, das als parametrische Resonanz bekannt ist. Verwirklicht wird die Energiegewinnungsvorrichtung als mikroelektromechanisches System, das aus einem Mikroausleger und einem Wandler besteht.   Wenn der Ausleger einer Kraft ausgesetzt wird, die senkrecht zu seiner Länge wirkt, anstelle von quer, kann eine parametrische Resonanz erreicht werden, die aus der gleichen Menge an Schwingungen mehr Energie erzeugt.

Prototypversionen und Vorrichtungen im Makromaßstab auf der Grundlage dieser Prinzipien haben gegenüber den bisherigen Ausführungen eine deutlich verbesserte Leistung und eine breitere Betriebsbandbreite gezeigt. Nun soll das Gerät von Cambridge Enterprise vermarktet werden, der Technologietransferstelle der Universität.   


Ein Team der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) in Singapur stellt im Februar 2014 ein neues Konzept vor, wie man niederfrequente Vibrationen nutzen kann, um Strom zu gewinnen, das ebenfalls auf dem piezoelektrischen Material Aluminiumnitrat beruht.

Die Forscher um Alex Gu am Institute of Microelectronics (IME) der Agentur beweisen allerdings, daß es nichts nutzt, nur eine Frequenz zu nutzen und die Geräte zur Stromgewinnung zu vergrößern, vielmehr sei es sinnvoller, extrem kleine Geräte einzusetzen, die auf eine Vielzahl von Frequenzen ansprechen.

Die als Durchbruch gefeierte Entwicklung nutzt den Kopplungseffekt von Wirbelablösung und Helmholtz-Resonanz, um die Helmholtz-Resonanz zu verstärken und die Schwelle des Eingangs-Druckes zu vermindern. Dank der Übertragung von niederfrequenter Vibrationsenergie auf eine unter Druck stehende Flüssigkeit, synchronisiert diese Flüssigkeit die zufällig eingehenden Vibrationen in vordefinierten Resonanzfrequenzen und ermöglicht so die volle Nutzung der Vibrationen aus dem gesamten niederfrequenten Spektrum.

Der neuartige Harvester kann Niederfrequenzschwingungen im Bereich von 10 – 100 Hz ernten und erreicht eine rekordverdächtige Leistungsdichte von 1,5 x 10-3 W/cm3.

Bereits im April folgt die Meldung, daß Kui Yao und seine Mitarbeiter am A*STAR einen Weg entdeckt haben, die Energieabgabe von leichten Schwingungserntern aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) zu verhundertfachen. Um einen effizienten Harvester aus PVDF herzustellen, muß das Polymer in mehreren Schichten gestapelt werden, um den Ausgangsstrom zu verbessern und die den piezoelektrischen Materialien inhärente elektrische Impedanz zu reduzieren. Werden zu viele dünne piezoelektrische Schichten gestapelt, kann der Ausleger aber zu steif für das Ernten von Schwingungen werden.

Um die piezoelektrische Ernte mit Kunststoff-Folien zu optimieren, setzt das Team auf einen analytischen Ansatz und entwickelt ein mathematisches Modell eines mehrlagigen Polymer-Auslegers, der mit Metallelektroden beschichtet ist. Damit gelingt es den Forscher systematisch zu berechnen, wie die verschiedenen Materialparameter die Energieabgabe beeinflussen.

Die Simulationen decken einige häufig ignorierte Faktoren auf, wie die geringe Dicke von Elektrodenbeschichtungen und die elektrischen Parameter der Materialien, die einen signifikanten Effekt auf den Strom haben, der beim Biegen mehrschichtiger Polymere erzeugt wird. Einer der identifizierten wichtigen Parameter ist die Notwendigkeit, die elektrische Impedanz an einen optimalen Lastwiderstand anzupassen. Die Analyse zeigt, daß die Energieabgabe einer 22-lagigen piezoelektrischen Struktur 5 – 400 mal höher sein kann als eine einlagiger Polymer mit ähnlichen Abmessungen.


Ebenfalls im Februar 2014 berichten die Fachblogs, daß ein Forscherteam, dem Mitglieder der University of Wisconsin, der University of Minnesota Duluth und der Sun Yat-sen University in China angehören, einen neuen Nano-Generator entwickelt habe, der beispielsweise in ein Handy oder dessen Außengehäuse eingebettet werden kann, um die Energie der Schwingungen, wie sie von einem fahrenden Auto produziert werden, zu ernten und damit das Telefon zu laden.

Die Wissenschaftler beschreiben ihre aus PVDF bestehende Vorrichtung als mesoporösen piezoelektrischen Nanogenerator, der hergestellt wird, indem sie Zinkoxid-Nanopartikel in einen PVDF-Dünnfilm einbinden, um damit die Bildung der piezoelektrischen Phase auszulösen, die ein Ernten der Schwingungsenergie erst möglich macht. Anschließend ätzen sie die Nanopartikel aus dem Film heraus. Die sich daraus ergebenden, miteinander verbundenen Poren – wegen ihrer Größe ,Mesoporen’ genannt – bewirken, daß sich das ansonsten steife Material eher wie ein Schwamm verhält.

Eben diese Schwammartigkeit ist der Schlüssel, denn je weicher das Material ist, desto empfindlicher ist es gegenüber kleinen Schwingungen. Der neue Nanogenerator besteht daher aus dem weichen, mesoporösen Polymerfilm, der zwischen zwei dünne Elektrodenfolien gepackt wird. Die resultierende Folie ist so flexibl, daß sie auf ebenen oder gekrümmten Oberflächen, einschließlich der menschlichen Haut, angebracht werden kann. Der erste praktische Versuch soll nun in einer Telefonrückseite oder einem Gehäuse erfolgen, wo die geernteten Schwingungen das Telefon direkt mit Strom versorgen.


Im Mai 2014 beteiligt sich der Designer Sujinda Tubtim aus Bangkok, Thailand, mit dem Entwurf Kinetic Branch an dem diesjährigen Electrolux Design Lab, einem globalen Wettbewerb für Design- und Technologie-Studenten.

Bei dem simulierten Objekt handelt es sich um einen modularen Luftreiniger, der gleichzeitig auch funktionale Kunst ist. Die Installation funktioniert sowohl drinnen als auch draußen, und man kann die ,Zweige’ miteinander verbinden und helfen, eine gesündere Umwelt zu schaffen.

Funktionieren soll es, indem die Zweige Schwingungen des Windes erkennen und dessen Energie nutzen. Dabei ist die Installation in der Lage, mittels massiver Luftfilter Staubpartikel auszusieben. Wie zu erwarten, ist es bislang bei dem Design geblieben.


Prof. David Ma und sein Diplomand Hui Zhang an der University of Hawaii Mānoa berichten im Juni 2014 von einem technischen Durchbruch, den sie durch ein effizientes Verfahren zur Ernte von mechanischer Energie erzielt haben, um damit autonome Sensornetzwerke mit Strom zu versorgen.

Frühere Ansätze konzentrierten sich darauf, die Vorrichtungen so zu gestalten, daß sie der gemessenen, dominanten Frequenz des Systems entsprechen. Da die meisten Systeme jedoch mit einer ganzen Reihe von Frequenzen vibrieren, verfehlt die Konzentration auf nur eine von ihnen den Rest, wodurch sich die Wirksamkeit der gesamten Vorrichtung begrenzt.

Der alternative Ansatz ist, Geräte zu entwerfen, die in der Lage sind auf verschiedene Frequenzen zu reagieren, aber nicht gleichzeitig. Es stellt sich nämlich heraus, daß diese ,passiven, Reaktionen aufgrund von ,Nichtlinearitäten’  nicht einfach zusammenaddiert werden können, um deutlich verbesserte Ergebnisse zu erzielen. Gefragt ist daher eine Methode, die aktiv auf mehrere Frequenzen reagiert.

Hierfür entwickeln Ma und Zhang nun ein theoretisches Modell sowie einen physikalischen Prototyp, der aktiv viel mehr Energie erntet, als es den herkömmlichen passiven Systemen gelingt. Damit etablierten sie einen Paradigmenwechsel, der die Tür zu völlig neuen Forschungsanwendungen öffnet. Als nächster Schritt soll das Konzept einer vollständigen Testreihe unterzogen werden.


Im Juli 2014 kursiert eine interessante Meldung in den Fachblogs, der zufolge Vibrationen die Effizienz der Photosynthese steigern können. Bei ihren Forschungen verwenden die Biophysiker der University of Michigan (UM) um Prof. Jennifer Ogilvie kurze Lichtimpulse, um in die Mechanik der Photosynthese Einblick zu erhalten und herauszufinden, welche Rolle Vibrationen bei dem Energiewandlungsprozeß spielen.

Sowohl biologische als auch künstliche Photosynthesesysteme absorbieren Licht und wandeln es zu einer Ladungstrennung – dem Prozeß, bei dem im ersten Schritt der Photosynthese Elektronen aus Atomen freigetreten werden. Im Falle der natürlichen Photosynthese führt dies zu einer biochemischen Energie, während die Ladungstrennung in künstlichen Systemen dazu verwendet wird, Elektrizität oder Biokraftstoffe zu erzeugen. Dies geschieht mit einer extrem hohen Geschwindigkeit.

Ein Augenblinzeln dauert etwa ein Drittel einer Sekunde. Die beschriebene Ladungstrennung geschieht dagegen in etwa dem Hundertstel eines Milliardstel dieser Zeit. Um mit der Geschwindigkeit dieser Reaktionen mithalten zu können, entwickelt Ogilvies Forschungsgruppe ein ultraschnelles Laserpuls-Experiment. Durch die Verwendung von sorgfältig getakteten Sequenzen ultrakurzer Laserpulse gelingt es die Photosynthese zu initiieren und dann Schnappschüsse des Prozesses zu machen.

Um die sogenannten Photosystem-II-Reaktionszentren aus Blättern zu extrahieren, arbeiteten die Forscher mit dem emeritierten UM-Prof. Charles Yocum und dem Institut für Chemie zusammen. Diese befinden sich in den Chloroplasten von Pflanzenzellen und bestehen aus einer Gruppe von Proteinen und Pigmenten, welche die Schwerarbeit der Photosynthese leisten. Zudem handelt es sich dabei um das einzige bekannte natürliche Enzym, das Solarenergie nutzt um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Um Proben zu erhalten, werden die Stiele und Adern von Spinatblättern entfernt und der Rest in einen Mixer gegeben. Mit mehreren Extraktionsschritten werden die Proteinkomplexe dann sanft aus der Membran herausgelöst, um sie dabei intakt zu halten. Mittels ihrem einzigartigen spektroskopischen Ansatz können die Forscher die Signale untersuchen, die produziert werden, wenn die Photosystem-II-Komplexe erregt werden – und auf diese Weise Erkenntnisse über die Wege gewinnen, welche die Energie und Ladungen in den Blättern nehmen.

Die aufgenommenen spektroskopischen Signale enthalten lang anhaltende Echos der Art, die bestimmte Schwingungsbewegungen enthüllen, die während der Ladungstrennung aufgetreten sind. Dabei wird festgestellt, daß sich die Ladungstrennung verbessern läßt, wenn die Lücken im Energieniveau in der Nähe der Schwingungsfrequenzen liegen. Die Experimente belegen zudem die Wichtigkeit von Timing und Bewegungen, die verwendet werden um im Photosystem-II-Reaktionszentrum Ladungen zu trennen.

Die gewonnenen Erkenntnisse identifizieren spezifische molekulare Schwingungen, die bei der Ladungstrennung helfen. Die Informationen sollen nun dazu verwendet werden, um im Prozeß des umgekehrten Engineering Materialien zu entwickeln, die geeignete Schwingungs- und elektronische Strukturen haben, diesen hocheffizienten Ladungstrennungsprozeß zu imitieren.

Diese könnten dann Ingenieuren möglicherweise dabei helfen, effizientere Solarzellen und Energiespeichersysteme zu entwerfen. Zudem liefern die Erkenntnisse neue Ansätze für die laufende Quantenbiologie-Debatte, wie es der Photosynthese überhaupt gelingt, so effizient zu sein.


Das zunehmende internationale Interesse an der Nutzung von Vibrationen wird auch durch eine Veröffentlichung der Middle East Technical University in Ankara vom Oktober 2014 belegt, in der ein drahtloses Sensorknoten-System (Wireless Sensor Nodes, WSN) vorgestellt wird, das einen elektromagnetischen Vibrations-Energiewandler nutzt, um seine Akkus zu laden, während das System in Betrieb ist.

Die Fähigkeit, die NiMH-Akkus mit niederfrequenten Schwingungen aufzuladen, wird experimentell verifiziert. Das kompakte System (24,5 cm3) liefert etwa 65 µA an die Batterien, wenn es mit 0,4 g Beschleunigung bei 7,4 Hz angeregt wird.

Auch in diesem Fall scheinen sich die Arbeiten auf den wissenschaftlichen Bereich zu beschränken, ohne daß es zu praktischen Umsetzungen kommt.

VTT-Harvester-Prinzip Grafik

VTT-Harvester-Prinzip
(Grafik)


Im November 2014 berichten Wissenschaftler des VTT Technical Research Center of Finland um Aapo Varpula und Mika Prunnila, daß sie herausgefunden haben, wie man die Schwingungsenergie erntet, die auf natürlichem Weg auftritt, wenn zwei Oberflächen mit unterschiedlichen Arbeitsfunktionen über Elektroden verbunden werden (Work Function Energy Harvester, WFEH).

Diese ,Arbeitsfunktion’ ist eine Eigenschaft der Oberfläche eines Materials, welche als die Differenz zwischen der Energie eines Elektrons im Ruhezustand und der minimalen thermodynamischen Arbeit definiert wird, die erforderlich ist, um das betreffende Elektron aus dem Material zu entfernen. Sie wird häufig in photoelektrischen Geräten und Kathodenstrahlröhren angewandt, wurde bislang aber noch nie zum Ernten von Vibrationsenergie eingesetzt.

Die VTT-Wissenschaftler konstruieren einen Parallelplattenkondensator aus Kupfer und Aluminium, der an eine externe Schaltung angeschlossen wird. Die Kupferplatte wird fixiert, während ein Motor die Aluminiumplatte – senkrecht zu beiden Platten – in Schwingungen versetzt, entweder kontinuierlich oder in Pulsen. Die jeweiligen Arbeitsfunktionen der Platten liefern die Initialladung von 1 V, wenn die Elektronen von einer Oberfläche zur anderen emigrieren. Verschiedene Elektrodenmaterialien könnten theoretisch noch höhere Spannungen ergeben – mehr als 3 V bei Halbleitern mit breitem Bandabstand, oder sogar mehr als 5 V mit n- und p-Typ-Diamant.

Harvester auf Grundlage der Arbeitsfunktion haben einen großen Vorteil gegenüber den anderen piezoelektrischen und elektrostatischen Geräte, die Strom aus mechanischen Schwingungen erzeugen, da sie keine externe Stromquelle oder irgendwelche Elektret-Materialien benötigen und darüber hinaus unter vielen Betriebsbedingungen mehr Leistung erzeugen.

Bis diese neue Technologie im industriellen Maßstab zur Anwendung gelangt, werden nach Meinung der VTT-Forscher allerdings noch drei bis sechs Jahre vergehen.

VTT-Blätter

VTT-Blätter

Im Februar 2015 folgt die Meldung, daß die Wissenschaftler am VTT den Prototyp eines Baumes entwickelt haben, der neben Sonnenenergie auch kinetische Energie aus der Umgebung ernten kann, wie sie durch Wind, Vibrationen und Temperaturschwankungen entstehen.

Die ,Blätter’ des Baums sind flexible, gemusterte Solarzellen, die unter Verwendung eines vom VTT entwickelten Druckverfahrens hergestellt sind. Sie bilden ein elektronisches System, komplett mit Verkabelung, das die Energie in einen Konverter leitet, der dann Strom für Mobiltelefone, Umwelt-Sensoren, LEDs u.ä. liefern kann. Der Baumstamm wird wiederum mit einer 3D-Druck-Technologie hergestellt, bei der ebenfalls vom VTT entwickelte, holzbasierte Biomaterialien zum Einsatz kommen.

Details zu der Umsetzung von Vibrationen werden bislang nicht mitgeteilt, auch von einer praktischen Umsetzung ist bisher nicht zu sehen. Vom Konzept her ähnelt die Entwicklung den Nanoblättern des Londoner Start-ups Solar Botanic Ltd., über die im Mai 2009 berichtet wurde (s.o.).


Daß Forscher der University of Central Lancashire (UCLAN) gemeinsam mit Kollegen der Firma British Aerospace (BAE) Systems untersuchen, wie sich das Energy-Harvesting der starken Vibrationen von Flugkörpern maximieren läßt, ist im Dezember 2014 zu erfahren. Insbesondere bei längeren Aufenthalten im Raum, bei denen es keine Möglichkeit zum nachtanken von Brennstoff gibt, bringt das Energy-Harvesting auch kleinster Energiemengen erhebliche Vorteile.

Das neu gestartete und vom Enginering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) mit 1 Mio. £ finanzierte Projekt beinhaltet eine dreijährige Zusammenarbeit der UCLAN und BAE Systems mit der University of Exeter, dem Defence Science and Technology Laboratory (DSTL), der Firma Westland Helicopters, dem Knowledge Transfer Network und weiteren Partnern.

Prof. Jianqiao Ye und seine Mitarbeiter an der UCLAN in Preston untersuchen speziell, wie sich die mechanische Energie, die durch Vibrationen eines Flugkörpers erzeugt wird, übertragen, speichern und wiederverwenden läßt, um das bordeigene Kommunikationssystem zu betreiben. Die Wissenschaftler analysieren hierzu die Struktur von Fluggeräten, mögliche Platzierungen und Geometrien der Sensoren sowie Anfallsorte von Vibrationsenergie, um die maximale Energiemenge zu berechnen, die sich aus Vibrationen ernten läßt.

Bei ihren – bislang noch bodengebundenen – Versuchen kleben die Forscher aus Makrofaser-Verbundwerkstoffen hergestellte Sensoren auf der Oberfläche von Flugzeugflügeln an, welche die Vibrationen aufnehmen und sammeln, um sie in Elektrizität umzuwandeln. Bei dem Projekt soll zudem nach Möglichkeiten gesucht werden, den Energieverbrauch von Flugkörpern zu minimieren. Bislang sind noch keine Resultate veröffentlicht worden.

Im Zuge der Recherche läßt sich ABER auch ein im April 2014 begonnenes und bis Oktober 2017 laufendes Forschungsprojekt der BAE Systems ausmachen, das mit gut 630.000 £ vom  EPSRC gefördert wird. Unter dem Bandwurm-Titel ,En-ComE: Energy Harvesting Powered Wireless Monitoring Systems Based on Integrated Smart Composite Structures and Energy-Aware Architecture’ kooperieren hierbei neben der BAE Systems die Cranfield University, das DSTL, der Technology Strategy Board (Innovate UK) sowie die Firmen AgustaWestland, TRW und Zartech Ltd. Die Leitung liegt dieses Projekts in Händen von von Prof. Meiling Zhu von der University of Exeter.


Die jüngste Meldung beim aktuellen Update stammt vom Februar 2016, als ein Forscherteam der Ohio State University um den Projektleiter Ryan L. Harne die Entwicklung elektromechanischer Geräte bekannt gibt, die wie winzige, entlaubte Bäume aussehen und Strom erzeugen, wenn sie durch seismische Aktivität, die leichten Schwankungen eines hohen Gebäudes, oder die Schwingungen des Verkehr auf einer Brücke bewegt werden.

In der Vergangenheit hatten Forscher angenommen, daß in der Natur erzeugte, zufällige Bewegungen unmöglich die geeignetste Möglichkeit zur Produktion von konsistenten Schwingungen sein können, wie sie zur Bereitstellung nutzbarer Elektrizität erforderlich sind. Aus diesem Grund wurden haben in Experimenten zumeist künstliche, nicht-zufällige Schwingungen verwendet.

Im Gegensatz dazu erforscht das Ohio-Team die Möglichkeiten, Energie zu erfassen, die in einer natürlichen, zufälligen Art und Weise erzeugt wird. Durch mathematische Modellierung arbeitet Harne heraus, daß es baumartigen Strukturen möglich sei, trotz großer, zufälliger Inputs Schwingungen bei einer einheitlichen Frequenz zu erhalten. Dies geschieht aufgrund der internen Resonanz, einem Phänomen, das bestimmten mechanischen Systeme erlaubt, interne Energie abzuführen. Diese Energie kann dann erfaßt und über die Stromschaltung gespeichert werden.

Das Team testetet das Modell durch den Bau eine Vorrichtung, die aus zwei Stahlbalken besteht, welche eine L-Form bilden (ähnlich einem Stamm und dessen Zweig). Diese sind durch eine Klammer unterstützt auf einer Struktur fixiert, die sich mit einer hohen Frequenz hin und her schüttelt. Die Balken sind durch einen Streifen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) verbunden, um die strukturellen Schwingungen in elektrische Energie umzuwandeln.

Wenn das Gerät auf hohe Frequenzen reagiert, oszilliert es mit nur kleinen Amplituden, kaum sichtbar für das bloße Auge. Trotzdem erzeugt es etwa 0,8 V. Fügen die Forscher dem System aber auch noch ein Zufallsrauschen hinzu, beginnt der Baum ,Sättigungserscheinungen’ zu zeigen, wie sie Harne nennt. Das System erreichte einen Wendepunkt, an dem die Energie hoher Frequenz plötzlich in eine Niederfrequenzschwingung kanalisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt schwankt der Baum hin und her, wobei der Stamm und Zweig synchron schwingen.

Diese niederfrequente Bewegung erzeugt etwa 2 V, mehr als das Doppelte der bisherigen Spannung, und wird als genügend für den Machbarkeitsnachweis erachtet. Obwohl dem System große Mengen von Lärm zugeführt werden, zeigt sich, daß das Sättigungsphänomen sehr robust ist und eine zuverlässige Ausgangsspannung bietet. Harne hofft nun, die Arbeit fortsetzen zu können, die er begann, als er an der University of Michigan ein Postdoktorand war.

 

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