TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Funkwellen (II)

Die im Jahr 2009 gegründete Firma Scarf Technologies LLC aus Mountain View, Kalifornien, erhält 2012 das Patent unter dem Namen ,Generating DC electric power from ambient electromagnetic radiation’ (US-Nr. 8.330.298, beantragt 2010). Als Erfinder sind Joshua M. Scherbenski und Freeman Cullom angegeben. Es lassen sich jedoch keine Hinweise auf die weitere Existenz dieses Untenehmens finden.

Die Firma Toppan Forms (Hong Kong) Ltd., (TFHK), eine Tochtergesellschaft der globalen Druckerei Toppan Printing Co. Ltd. mit Hauptsitz in Tokio, stellt im April 2010 eine Reihe von Produkten vor, die zumeist auf organischer Photovoltaik und gedruckten Elektronik-Technologien basieren.

Neben Solartaschen, solarbetriebenen OLED-Displays und ähnlichem wird auch eine Karte ohne Batterie präsentiert, deren Bild durch RF-Signale von RFID-Lesegeräten zum Aufleuchten gebracht wird. Das Marketing für die Produkte soll im Jahr 2011 beginnen. Es läßt sich aber nicht bestätigen, daß die Karten jemals in Poduktion gegangen sind.

Im August 2011 melden Forscher des Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg um Gerd vom Bögel, daß sie den Prototyp eines besonders komfortablen und ausfallsicheren Fensterkontakts entwickelt haben, der meldet, welche Fenster im Haus offen oder geschlossen sind.

Der elektronische Helfer wird an den Fenstergriffen plaziert, erkennt anhand der Griffstellung, ob ein Fenster geöffnet, gekippt oder geschlossen ist und übermittelt diese Information zu einer Basisstation. Dabei kommt das Sysrem ohne Kabel oder Batterien aus, da die Sensoren ihre gesamte Betriebsenergie aus der Funkstrahlung in der Umgebung gewinnen. Hierfür wird in jedem Zimmer neben den Fensterkontakten ein Raumcontroller installiert, dessen aktiv funkendes Modul nicht nur die Daten der einzelnen Fensterkontakte empfängt, sondern die Sensoren durch seine Funkstrahlung auch mit Energie versorgt. Über eine Marktumsetzung läßt sich nichts finden.

Damit Elektroautos unbegrenzt fahren können, entwickelt Masahiro Hanazawa von den Toyota Central R&D Labs gemeinsam mit Takashi Ohira von der Toyohashi University of Technology ein drahtloses System, das die Fahrzeuge mit Strom versorgt, während sie die Straße entlang fahren.

Die Idee ist nicht neu, doch während andere Forscher auf der ganzen Welt drahtlose Ladesysteme entwerfen, die in klassischer Art und Weise parkende Autos aufladen, verfolgen die beiden japanischen Forscher Berichten vom August 2011 zufolge den Ansatz, daß es viel mehr Sinn machen würde, die Stahldrähte im Inneren der Autoreifen zu Empfängern zu machen, da sie dem Strom-emittierenden Asphalt am nächsten sind. Die Forschungen führen zu einem System, das 50 – 60 W Strom durch fast 10 cm Beton übertragen kann, so daß die Stromquelle sicher unter der Fahrbahn installiert werden kann.

Praktisch umgesetzt sieht das so aus, daß der Strom aus dem Netz von einer niedrigen zu einer hohen Funkfrequenz umgewandelt und dann auf kleine Metallplatten innerhalb eines Reifens übertragen wird. Die weltweit erste Demonstration der Kraftübertragung von Elektroden unter der Straßendecke auf die Räder eines Elektroautos erfolgt im Dezember 2012 mit einem Modell-EV im Maßstab 1:32. Dabei bewegt sich das Auto bei 52 MHz erfolgreich mit einem Wirkungsgrad von mehr als 75 %.

Im Oktober 2014 folgt auf der CEATEC in Japan eine weitere Vorführung, bei der ein elektrischer Rollstuhl in Originalgröße und mit Passagier zum Einsatz kommt. Tatsächliche Feldtests sind bislang aber noch nicht durchgeführt worden. Und später ist überhaupt nichts mehr darüber zu hören.

Die japanische Firma Nihon Dengyo Kosaku Co. Ltd. (Dengyo) stellt im August 2011 mit ihrem Microwave Regenerative Converter ein Gerät vor, das „verschwendete elektromagnetische Energie“ ernten und in nutzbare Energie umwandeln soll.

Das neue Produkt ist eine 2,4 GHz-Band Rectenna, eine Kombination aus einer Antenne und einem Gleichrichter (Rectifier), hat die Maße 103 x 93 x 17 mm und eine maximale Gleichstrom-Ausgangsleistung von 100 W.

Die Rectenna kann verwendet werden, um die elektromagnetische Energie von Mikrowellenöfen oder industriellen Mikrowellen-Heizmaschinen zu verwerten, die nicht zum Erhitzen von Lebensmitteln und Materialien beiträgt (auch wenn mir nicht ganz klar ist, wie das gehen soll).

Ein weiteres Rectenna-System fängt WiFi- und digitale terrestrische Rundfunksignale auf und verfügt daher über zwei Antennen, eine für jedes Band. W-LANs sollen der Rectenna ermöglichen, in einem Abstand von etwa 10 cm eine Leistung im Mikrowatt-Bereich zu erzeugen.

Im Juli 2012 wird berichtet, daß Dengyo gemeinsam mit der neu gegründeten Volvo Technology Japan, einer Tochter der in Schweden ansässigen Volvo AB, ein drahtloses Energieübertragungssystem für Elektrofahrzeuge entwickelt, das auf 2,45 GHz Mikrowellen basiert. Es gelingt damit, 10 kW Strom drahtlos über eine Entfernung von 4 – 6 m zu übertragen.

Auch hier werden hocheffiziente Rectennas mit einem Wirkungsgrad von etwa 84 % verwendet, die eine hohe Ausgangsleistung von 3,2 kW/m² erreichen – der laut Dengyo „weltweit höchsten Leistung“. Das Thema der drahtlosen Energieübertragung wird in einem gesonderten Kapitelteil noch ausführlich behandelt (in Arbeit).

Im Oktober 2013 erscheint noch ein gemeinsam mit Naoki Shinohara von der Kyoto University verfaßter Artikel ,Wireless charging for electric vehicle with microwaves’, doch weitere Informationen lassen sich nicht finden.

Über ein an der Stanford University entwickeltes medizinisches Implantat, das sich kabellos angetrieben durch den Blutstrom bewegt, wird im Februar 2012 berichtet. Bei ihrer Arbeit, die Technik der drahtlosen elektromagnetischen Leistungsabgabe klein genug zu machen, um mit winzigen implantierbaren Geräten kompatibel zu sein, stellt die Elektroingenieurin Prof. Ada S. Y. Poon fest, daß Hochfrequenzwellen viel weiter in menschliches Gewebe dringen als bisher angenommen.

Unter Verwendung eines einfachen Gewebemodells findet sie, daß die optimale Frequenz für die drahtlose Stromversorgung um ein Gigahertz herum liegt, was etwa 100 mal höher ist als bisher angenommen. Dies bedeutet, daß Antennen im Inneren des Körpers 100 mal kleiner sein können, um die gleiche Menge an Leistung zu liefern.

Diese Erkenntnis ermöglicht es Poon, eine Antenne aus einem gewickelten Draht zu konstruieren, die klein genug ist um im Inneren des Körpers plaziert Strom aus einem Funksender außerhalb des Körpers zu empfangen. Da der Sender und die Antenne magnetisch gekoppelt sind, ruft jede Änderung im Stromfluß des Senders eine Spannung in dem aufgewickelten Draht hervor.

Die Wissenschaftlerin stBereits im August berichtet das Poon-Team, daß es zwischenzeitlich einen implantierbaren Herzschrittmacher von der Größe eines 0,8 mm großen Würfels entwickelt habe, der drahtlos durch Hochfrequenz-Funkwellen aufgeladen werden kann. Das Gerät funktioniert durch eine Kombination aus induktiver und radiativer Energieübertragung. Bei einer optimalen Frequenz von 1,7 GHz kann eine Spule mit 1 mm Radius eine Leistung von mehr als 50 µW erzeugen, was den Bedarf eines Herzschrittmachers deutlich übersteigt.

Damit wird auch bewiesen, daß die bisherigen mathematischen Modelle falsch waren, die besagen, daß hochfrequente Radiowellen nicht weit genug in menschliches Gewebe eindringen, was die Verwendung von Niederfrequenzsendern und großen Antennen erforderlich macht - zu groß, um für implantierbare Geräte praktikabel zu sein.

Meldungen vom 2014 zufolge hat das Forschungsteam inzwischen eine neue Methode entwickelt, bei dem ein Magnetfeld in den Körper geschickt wird, um auch tief sitzende Implantate mit Strom zu versorgen. Ihre Technik nennt sich Midfield Wireless Powering – im Gegensatz zur Nearfield-Variante wie bei der regulären Induktion oder bei der Farfield-Technik, die etwa Funksender verwenden.

ellt zwei Arten drahtlos betriebener Geräte her, die fähig sind durch den Blutkreislauf zu treiben. Das eine schafft eine gerichtete Kraft, indem es einen elektrischen Strom direkt durch das Blut schickt, um sich selbst mit einer Geschwindigkeit von etwas mehr als 0,5 cm/s nach vorn zu bewegen, während das andere den Strom in der Drahtschleife vor und zurück schaltet, um eine schwirrende Bewegung zu erzeugen, die das Gerät nach vorne treibt.

Mitte 2012 erscheinen Berichte über eine Taschenlampe namens ELFE, die in Australien von einem russischen Team entworfen wurde. Dahinter stehen Victor Uzlov und Ihor Dubatouka der im März 2012 gegründeten und in North Sydney, NSW, beheimateten Firma ADGEX Ltd.

Der Adgex Accumulator, der den Kern der 120 Lumen starken 3 W LED-Leuchte bildet, soll seine Energie aus dem Magnetfelde der Erde, der Sonnenstrahlung und dem elektromagnetischen Rauschen der Umwelt sammeln. Das für 99 $ angebotene Gerät kann den Herstellern zufolge mehr als 12 Stunden einen leistungsfähigen Lichtstrom liefern, dessen Lichtintensität im Laufe der Zeit aber abnimmt. Anschließend erfordert es einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen, damit der Speicher wieder sein volles Energieniveau erreicht.

Die Firma, die sich daneben auch noch mit anderen neuen Technologien beschäftigt, nennt allerdings keinerlei Details über die Grundlagen, nach denen die Lampe funktioniert. Es läßt sich auch nicht bestätigen, daß sie jemals in Produktion ging.

Im Januar 2013 überschlägt sich die Presse mit der Meldung, daß der deutsche Designstudent Dennis Siegel an der Hochschule für Künste Bremen ein Gerät entwickelt habe, welches Energie aus umgebenden, anderen Geräten zieht.

Der Electromagnetic Harvester kann Energie ebenso aus einem Fernseher gewinnen, der sich in der Nähe befindet, wie auch von einem Smartphone oder bei einer Fahrt in der Straßenbahn, wobei die aufgenommene Energie in einer gewöhnlichen AA-Batterie gespeichert wird.

Das kleine quadratische Gerät basiert auf elektromagnetischer Induktion. Stellt man sich mit dem Harvester beispielsweise unter eine Starkstromleitung, kann man anhand der am Gerät aufleuchtenden LED erkennen, daß die AA-Batterie im Gerät gerade aufgeladen wird. Um diese voll aufzuladen, braucht es etwa einen Tag.

Siegel konzipiert zwei Harvester für unterschiedliche elektromagnetische Felder: einen kleinen, der für niedrigere Frequenzen unterhalb von 100 Hz geeignet ist, wie man sie im Stromnetz findet (50/60Hz), sowie einen größeren für höhere Frequenzen wie Radiosendungen (~ 100 MHz), GSM (900/1.800 MHz) bis hin zu Bluetooth und W-LAN (2,4 GHz). Bislang ist es aber bei dem Design geblieben, eine kommerzielle Nutzung erfolgte nicht.

Im März wird in der wissenschaftlichen Literatur erstmals der Begriff Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) erwähnt, und zwar in dem Artikel mit dem Titel ,MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer’ von Zheng Zhang und Chin Keong Ho an der National University of Singapore. Andere Quellen sprechen davon, daß der Begriff bereits im Jahr 2008 in theoretischen Abhandlungen erschienen sei, was sich bislang aber nicht belegen ließ.

In den Folgejahren erscheinen jedenfalls diverse Studien, die im Grunde eine eigene Recherche erfordern würden. Das Interesse ist jedenfalls weit verbreitet, und einige Berichte sind im Netz auch einsehbar. Als Beispiele seien die Arbeit von Wissenschaftlern der pakistanischen National University of Science and Technology (NUST) in Islamabad und der Istanbul Technical University (ITU) genannt, die unter dem Titel ,Simultaneous Wireless Information and Power Transfer With Cooperative Relaying for Next-Generation Wireless Networks: A Review’ im Mai 2021 erscheint; sowie die im August 2022 veröffentlichte Arbeit ,SWIPT-Pairing Mechanism for Channel-Aware Cooperative H-NOMA in 6G Terahertz Communications’ von Haider W. Oleiwi und Hamed Al-Raweshidy von der Brunel University in London.

Im Mai 2013 wird berichtet, daß das belgische Forschungszentrum IMEC sowie das Holst Centre in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Delft und der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden einen selbstkalibrierenden HF-Energie-Harvester entworfen und gefertigt haben, der in der Lage ist HF-Signale mit niedrigerer Eingangsleistung zu ernten als alle bisherigen Lösungen. Die maximale Umwandlungseffizienz des Harvesters, dessen aktive Chipfläche nur 0,029 mm² beträgt, liegt bei 31,5 %.

Grundlegendes Ziel der Entwicklung ist, den Betriebsabstand zwischen der Quelle und dem Harvester auf eine Größenordnung von 100 µW über Distanzen von mehreren Metern zu erhöhen.

Im Dezember 2015 folgt die Meldung, daß Forscher an der TU Eindhoven um Prof. Peter G. M. Baltus und seinen Doktoranden Hao Gao nun auch einen winzigen, nur 2 mm² großen und 1,6 mg leichten Temperatursensor entwickelt haben, der durch die Funkwellen des gleichen Wireless-Netzwerks mit Strom versorgt wird, über das er kommuniziert.

An Bord des Chip fängt eine kleine Antenne die Energie aus den vom Router übertragenen Signalen. Sobald das Gerät aufgeladen ist, schaltet sich der Sensor schnell an, mißt die Temperatur und überträgt dann ein Signal an den Router, wobei sich die Frequenz des gesendeten Signals auf die gemessene Temperatur bezieht.

Der Chip, der nur ca. 20 Cent kostet, ist in der Lage, unter einer Schicht von Farbe, Putz oder Beton zu arbeiten. Dieselbe Technologie soll den Wissenschaftlern zufolge auch ermöglichen, den Chips zur Detektion von Bewegung, Licht und Feuchtigkeit einzusetzen. Im Moment kann er sein Signal zwar nur 2,5 cm weit übertragen, was aber innerhalb eines Jahres auf bis zu 5 m erweitert werden soll. Das Projekt mit dem Namen PREMISS wird aus Mitteln der niederländischen Technologiestiftung STW finanziert.

Zwar veröffentlichen Baltus, Gao sowie die Professoren Marion Matters-Kammerer und Dusan Milosevic im Januar 2018 zu einem Preis von 93 € das Buch Batteryless mm-Wave Wireless Sensors (Analog Circuits and Signal Processing), in welchem sie das PREMISS-System beschreiben, doch weiter scheint die Angelegenheit nicht gediehen zu sein.

Ein japanisch-amerikanisches Team um Prof. Yoshihiro Kawahara von der Universität Tokio belegt einer Veröffentlichung vom September 2013 zufolge, daß selbst die geringen Strahlungsmengen, die von modernen Mikrowellen geleckt werden, noch ausreichen, um kleine, verbrauchsarme Geräte zu betreiben.

Da die Strahlung von Mikrowellenherden gesundheitsschädlich ist, wenn sie nach außen dringt, gilt international die Norm, daß der Leistungsfluß im Abstand von 5 cm vom Gerät maximal 50 W/m² betragen darf, was von den gängigen Geräten aber noch unterschritten wird. Dennoch gelingt es dem Team mithilfe eines münzgroßen Empfängers über eine Dipolantenne aus der geleckten Strahlung binnen zwei Betriebsminuten einer Mikrowelle 9,98 Millijoule Energie zurückzugewinnen – was sich als ausreichend erweist, um eine digitale Eieruhr zu betreiben, die drei Minuten herunterzählt und dann 2,5 Sekunden ertönt.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß es zukünftig immer mehr Küchen-Gadgets geben wird, die nur einige Dutzend Mikrowatt Leistung benötigen und so mit Mikrowellen-Energie mehrere Minuten laufen könnten. Knoten kabelloser Sensornetzwerke im zunehmend intelligenten Haushalt wären mit einer zweiminütigen Mikrowellen-Ladung demnach sogar für 2,5 Stunden mit Strom versorgt. Die Forscher hoffen daher, daß die Mikrowellen-Energierückgewinnung auf die Dauer Knopfzellen in der Küche überflüssig macht.

Im Oktober 2013 stellen Forscher der Duke University in Durham, North Carolina, um Prof. Steven Cummer und seine Kollegen Allen Hawkes und Alexander Katko einen einfachen und kostengünstigen Ansatz für die elektromagnetische Energiegewinnung vor.

Die Basisbausteine aus relativ kostengünstigen Metamaterialien, die besondere elektromagnetische Eigenschaften besitzen und mittels ihrer speziellen Strukturen und Eigenschaften verschiedene Formen von Wellenenergie einfangen, können sowohl für sich selbst stehen als auch zusammenarbeiten. Will man die gewonnene Energie erhöhen, muß man daher lediglich mehrere Blöcke aneinander reihen.

Bei einer Effizienz von 37 % erzeugt der Wandler, der Energie in Form von Mikrowellen von Quellen wie Satelliten- oder W-LAN-Signalen ,abzapft’, 7,3 V. Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß sich diese Art der Energiegewinnung mit zusätzlichen Modifikationen auch in ein Handy verbauen ließe, um dieses kabellos wieder aufzuladen. Im Gegensatz zu den bislang meist rein theoretischen Arbeiten zu Metamaterialien belegt diese Entwicklung, daß diese Materialien auch für Konsumentenanwendungen nützlich sein können.

Die Arbeit trägt den Titel ,A microwave metamaterial with integrated power harvesting functionality’ und ist im Netz einsehbar.

Auch im Jahr 2014 gehen die Arbeiten auf diesem Sektor des Micro Energy Harvesting intensiv weiter.

Im Januar stellt Concepter, ein Unternehmen mit Sitz in Kiew, Ukraine, auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas 2014 den funktionierenden Prototyp des Lunecase Eclipse vor, ein iPhone-Case, das ohne Einsatz von Batterien alleine durch die elektromagnetische Energie arbeitet, die die von dem abgestrahlt wird. Das Case ist drahtlos mit dem Telefon verbunden und läßt auf dessen Rückseite LEDs mit einem Symbol aufleuchten, sobald ein Anruf eingeht.

Große Freude herrscht vermutlich bei Concepter, als das Unternehmen Ende April eine Kickstarter-Kampagne startet, die schon nach einem Tag die erhofften 50.000 $ für die Produktionsphase erreicht. Bis Juni kommen von 3.653 Unterstützern sogar 155.824 $ zusammen, um das Projekt zu realisieren, das im Verkauf 30 $ kosten soll.

Nachdem der Versand zuerst Ende März 2015 starten soll, muß dieser aufgrund von Problemen bei der Herstellung sowie finanziellen Hürden immer wieder verschoben werden – bis er endlich im März 2016 tatsächlich beginnt.

Inzwischen bietet die Firma neben dem abgebildeten Modell Lunecase ICON, bei dem ein Telefon- bzw. ein Mail-Symbol aufleuchtet, sobald eine entsprechende Nachricht eingeht, auch noch das Modell Lunecase CULT an, bei dem die roten oder grünen Augen eines ziselierten Totenkopfes aufleuchten - für diejenigen, die auf solche abwegigen Designs stehen. Der aktuelle Preis beträgt 50 $. Es läßt sich allerdings nichts darüber finden, daß die Produkte auch tatsächlich auf dem Mrkt angekommen sind.

Im Juli 2014 präsentiert eine Gruppe von schwedischen Forschern der Linköping University um die Doktorandin Negar Sani eine gedruckte Diode, welche die Funkleistung eines Smartphones zur Stromgewinnung nutzen kann. Dabei ist die Betriebsfrequenz von 1,6 GHz – was weit höher ist als bei früheren, ähnlichen Ansätzen – schnell genug, daß die Diode mit den Frequenzen der Mobilfunk-Sender arbeiten kann.

Die Vorrichtung basiert auf zwei gestapelten Schichten aus Si- und NbSi₂-Partikeln und kann bei niedriger Temperatur und in Umgebungsatmosphäre durch Drucken auf ein flexibles Substrat hergestellt werden. Die 1,6 GHz-Schottky-Diode besteht aus mit Antimon dotiertem Silizium, das in Teilchen zwischen 100 nm und 1 µm zerkleinert und dann auf eine Aluminiumelektrode gedruckt wird. Darüber kommen die Niob-Silizidpartikel, gefolgt von einer Kohlenstoffelektrode und einer Silberpaste.

Zudem soll die neue Arbeit eine seit langem bestehende Frage beantworten, wie die lang bekannten gedruckten Dioden überhaupt funktionieren. So war zwar der Vorgänger des aktuellen Gerät bereits im Jahr 2001 am Forschungsinstitut Acreo Swedish ICT AB in Kista mit einem ähnlichen Prozeß wie dem aktuellen, jedoch unter ausschließlicher Verwendung von Siliziumpartikeln hergestellt worden, doch richtig verstanden wurde der Betrieb des nur bei etwa 1 MHz funktionierenden Geräts nicht.

Sani und ihre Mitarbeiter glauben, daß die gedruckte Diode Tunneleffekte verwendet, da die nano-dünnen Filme (1 – 2 nm), die sich um die mikrometergroßen Siliziumkörnchen bilden,  wo der Strom zwischen Anoden (Aluminium) und Kathoden (Silber und Kohlenstoff) passieren, dafür sorgen, daß dies nur in einer Richtung geschieht.

Neben weiterer Verkleinerung soll in zukünftigen Arbeiten zum einen versucht werden, das Niob durch billigere Materialien zu ersetzen, und zum anderen, ein Gerät zu entwickeln, das im 2,4 GHz-Band betrieben werden kann, um W-LAN- und Bluetooth-Signale zu verwenden. Langfristiges Ziel der Erfindung ist es, Smartphones mit gedruckten Etiketten zu verbinden. Diese auch Smart-Tags genannten Aufkleber, die u.a. für die Lagerhaltung von Unternehmen interessant sind, gibt es bisher in der Regel als RFID-Tags, in denen aber eine gesondert hergestellte Elektronik sitzen muß.

Der Schaltungsanteil des neuen Etiketts ist weniger als 20 µm dick, doch die Energieübertragung funktioniert bislang nur über einen Abstand von wenigen Millimetern. Um größere Distanzen zu erreichen, ist eine Spule aus Metallfilm nötig, die sich aber auch drucken lassen dürfte.

Später befaßt sich Sani bei dem unabhängigen schwedischen Forschungsinstitut RISE Acreo mit gedruckten elektronischen Transistorschaltungen und Bildschirmen, wie aus einem Bericht im Juli 2017 hervorgeht. Daß die Arbeit mit dem HF-Harvester weitergeführt wurde, läßt sich hingegen nicht belegen.

Ein Team von Forschern der Stanford University und der University of California, Berkeley um Prof. Amin Arbabian berichten im September 2014 über die Entwicklung einer Radio-on-a-Chip-Kommunikationsvorrichtung, die vollständig durch umgebende Radiowellen betrieben wird und kaum größer als eine Ameise ist.

Der Prototyp des vollständig in sich geschlossenen Geräts besteht aus Empfangs- und Sendeantenne sowie einem zentralen Prozessor, benötigt keine Batterien und ist sehr billig herzustellen, weshalb man hofft, daß er dem ,Internet der Dinge’ einen starken Anschub geben wird, welches Milliarden Geräte miteinander verbinden soll. Der Radio-on-a-Chip hat eine Kommunikationsreichweite von etwa 50 cm.

Besonders hervorgehoben wird der niedrige Energieverbrauch: Falls eine AAA-Batterie daran angeschlossen wird, würde diese mehr als ein Jahrhundert lang halten. Der attraktivste Aspekt ist allerdings der niedrige Preis von nur ein paar Cent pro Chip. Von dem französischen Halbleiterhersteller STMicroelectronics werden 100 Prototypen des Radio-on-a-Chip produziert, Aussagen in Bezug auf die potentielle Verfügbarkeit werden noch nicht gemacht.

Im Fall dieser Entwicklung lassen sich auch später noch Spuren finden. So wird im Februar 2018 berichtet, daß die Stanford-Forscher um Arbabian inzwischen einen Weckempfänger entwickelt haben, der im vernetzten Internet der Dinge Energie spart, indem er als Reaktion auf eingehende Ultraschallsignale ausgeschaltete kleine elektronische Geräte einschaltet, wenn sie gebraucht werden. Mit den Energy-Harvesting hat das allerdings nichts mehr zu tun.

Im März 2015 ist zu erfahren, daß ein Forscherteam an der American University of Sharjah (AUS) um die Professoren Lutfi Albasha und Nasser Qaddoumi seit mehreren Jahren daran arbeitet, den Wirkungsgrad von Geräten zu verbessern, die elektromagnetische Strahlung aus unterschiedlichen Quellen wiederverwenden, um Low-Power-Schaltungen mit Energie zu versorgen. Bereits im Januar 2010 hatten die beiden gemeinsam mit Kollegen der University of Manitoba die Studie ,Investigation of RF Signal Energy Harvesting’ veröffentlicht.

Indem der Energieverbrauch des Harvesters minimiert wird, gelingt es dem von der Semiconductor Research Corporation (SRC) und der Mubadala Technologies Co. unterstützten AUS-Team die üblicherweise 5 % betragende Effizienz auf mehr als 80 % zu erhöhen. Darüber hinaus entwerfen die Wissenschaftler eine neue Breitband-Flachantenne für das System, die Signale von Mobiltelefonen aufnehmen kann, TV-Signale und auch W-LAN- und Maut-Frquenzen von 5 GHz.

Im Dezember 2017 folgt die im Netz einsehbare Publikation ,High Efficiency Energy Harvesters in 65nm CMOS Process for Autonomous IoT Sensor Applications’, in der zwei integrierte, hocheffiziente RF-zu-Gleichrichterschaltungen vorgestellt werden, die auf verbesserten Dickson-Ladungspumpenmodellen basieren.

Im April 2015 veröffentlichen Forscher der University of Waterloo in Kanada eine Untersuchung, in der sie einen neuen Entwurf zur Gewinnung von Energie aus elektromagnetischen Wellen vorlegen – auf Grundlage eines Konzepts der ,vollen Absorption’.

Dieses beinhaltet die Verwendung von Metamaterialien, die so angepaßt werden können, daß sie Medien produzieren, die Energie weder reflektieren noch senden, was die volle Absorption von einfallenden Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich und mit einer bestimmten Polarisation möglich macht. Damit kann zum ersten Mal demonstriert werden, daß es prinzipiell möglich ist, die gesamte elektromagnetische Energie zu sammeln, die auf eine Oberfläche fällt.

Das Team um Prof. Omar M. Ramahi stellt die hierfür eingesetzten Metaoberflächen durch Ätzen der Oberfläche eines Materials mit einem Muster wiederholter Formen her. Die besonderen Dimensionen dieser Muster und ihre Nähe zueinander kann so abgestimmt werden, daß eine fast einheitliche Energieabsorption erfolgt. Diese Energie wird dann über einen Leitungspfad, der die Metaoberfläche mit einer Masseebene verbindet, zu einer Last geleitet. Die Technologie kann zudem auch auf den infraroten und den sichtbaren Bereich des Spektrums erweitert werden.

Die entworfene Metamaterial-Platte umfaßt 13 × 13 kleine elektrische Zellen, die jeweils mit einem 82 Ω-Widerstand bestückt sind, welcher die Eingangsimpedanz eines Gleichrichter-Schaltkreises nachahmt. Simulationen und experimentelle Ergebnisse zeigen bei einem für 3 GHz optimierten Design eine Leistungsabsorptions-Effizienz von bis zu 97 %.

Da das neue System eine deutlich höhere Energieabsorption als klassische Antennen ermöglicht, hat es ein breites Spektrum von Anwendungen. Zu den wichtigsten könnte schon bald die Solarenergie aus dem Weltraum gehören, bei der Satelliten im Orbit mit herkömmlichen Photovoltaik-Solarzellen Sonnenstrahlen einfangen und in Mikrowellen umwandeln, die dann an Sammler-Farmen auf der Erde gestrahlt werden. Bislang läßt sich eine Umsetzung aber nicht belegen.

Auf der im Mai 2015 stattfindenden Start-up-Konferenz Techcrunch Disrupt in New York wird von der im Jahr 2014 gegründeten Firma Nikola Labs Inc. aus Columbus, Ohio, eine ungewöhnliche Technologie zum Nachladen von Mobilgeräten vorgestellt – die aus einem Smartphone-Case besteht, das Radiowellen in Energie umwandelt und wieder in das Gerät zurückspeist. Damit soll die Akkulaufzeit eines iPhone 6 um etwa 30 % verlängert werden.

Dem Erfinder Chi-Chih Chen zufolge würden bis zu 97 % der Sendeenergie, die ein Smartphone normalerweise aufwendet, um Daten- und Telefonverbindungen herzustellen, verloren gehen – von denen mit dem Case ein großer Teil  zurückgewonnen werden soll. Entwickelt wurde die Technologie, für welche Nikola Labs eine exklusive Lizenz erwirbt, an der Ohio State University (OSU), wo Rob Lee, einer der Mitgründer von Nikola Labs, zuvor das Department for Electrical and Compter Engineering geleitet hat.

Als das Projekt im Juni zu einem Preis von 99 $ pro Case auf Kickstarter angeboten wird, bleibt die Resonanz allerdings verhalten. Statt der geplanten 135.000 $ bringen 752 Interessenten nur 76.709 $ zusammen – weshalb man seitdem wohl auch nicht Neues mehr darüber gehört hat.

Im September 2015 heben der ehemalige britische Wissenschaftsminister Lord Paul Drayson und seine im Vorjahr als Spin-out des Imperial College London gegründete Firma Drayson Technologies Ltd. in London die Energy-Harvesting-Technologie Freevolt aus der Taufe, die Radiofrequenzwellen der Umgebung in nutzbare Elektrizität verwandelt, um Low-Power-Geräte aufzuladen. Dies wird durch eine erfolgreiche Finanzierungsrunde unterstützt, bei der im April 16,6 Mio. £ zusammenkommen waren.

Drayson hatte sich bislang mit dem elektrischen Drayson B12 69/EV Le-Mans Prototyp-Rennwagen einen Namen gemacht – wie z.B. im Juni 2013, als das Drayson Racing Team auf der ehemaligen Elvington-Basis der RAF in Yorkshire mit 326,7 km/h einen neuen Geschwindigkeitsweltrekord aufstellt. Mehr über E-Mobil-Rennen und -Rekorde findet sich in einem eigenen Kapitelteil (s.d.).

Bei der aktuellen Präsentation zeigt Drayson, wie die von den Mobiltelefonen der Anwesenden erzeugte Energie eingefangen und dann verwendet wird, um einen Lautsprecher zu betreiben. Die Technologie besitzt eine Multiband-Antenne, einen Gleichrichter und ein Power-Management-Modul und kann Energie aus mehreren Funkfrequenzbändern innerhalb des Bereich von 0,5 – 5 GHz absorbieren.

Der Firma zufolge ist Freevolt das erste kommerziell erhältliche Gerät, das Umgebungs-RF-Energie verwendet, ohne daß hierfür spezielle Sender erforderlich sind. Der Schlüssel der Technologie soll die hohe Effizienz der Bauteile sein, sodaß ein Standardmodell um die 100 µW Leistung erzeugen kann.

Für das erste Produkt, den CleanSpace Tag, der von der Freevolt-Technologie mit Strom versorgt wird, startet das Unternehmen in Großbritannien im September eine Crowdfunding-Kampagne, bei der die persönlichen Luftverschmutzungs-Sensoren zu einem Preis von 55 £ angeboten werden. Tatsächlich gelingt es, innerhalb eines Monats von 372 Interessenten sogar etwas mehr als die benötigten 100.000 £ einzusammeln, um die Produktion aufzunehmen.

Im Mai 2016 kommen in einer Finanzierungsrunde B weitere 8 Mio. £ hinzu, und im November wird berichtet, daß sich die Firma mit Uber Mexiko zusammengetan hat, um „hyperlokale Informationen zur Luftverschmutzung“ für Mexiko-Stadt zu erstellen. Hierzu werden die Autos der Uber-Fahrer mit dem vernetzten, intelligenten CleanSpace Tag ausgestattet, der die Luftqualität innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs dokumentiert. Bei der nächsten Finanzierungsrunde im Juli 2017 erhält Drayson nochmals 15 Mio. £.

Ein späteres Produkt ist die S-Key, die mit NFC / 13,56 MHz basierten Zugangskontrollsystemen funktioniert und als erste batterielose biometrische Zugangskarte der Welt angepriesen wird. Die Karte speichert eine gehashte Vorlage des Fingerabdrucks des Karteninhabers sicher auf der Karte und kann einen biometrischen Verifizierungsprozeß, der vom Kartenleser betrieben wird, in etwa 1 Sekunde durchführen.

Im Oktober 2021 wird aus der Drayson Technologies die Firma Freevolt Technologies Ltd., die die nächste Generation der biometrischen Chipkarten mit Energy Harvesting weiterentwickelt.

Auf der Konferenz der Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) in Florianópolis, Brasilien, im August 2016 präsentiert ein Team von Informatik-Forschern der University of Massachusetts Amherst (UMass Amhurst), der Stanford University, der Beijing Jiaotong University und der vietnamesischen Can Tho University of Medicine and Pharmacy unter der Leitung von Prof. Deepak Ganesan eine neue Funktechnologie, die es kleinen mobilen Geräten ermöglicht, die Batterieleistung größerer Geräte in der Nähe für die Kommunikation zu nutzen.

Die neue Technologie mit dem Namen Braidio (Braid of radios; Geflecht aus Funkgeräten) verhält sich wie ein Standard-Bluetooth-Funkgerät, und beide Geräte arbeiten mit normaler Leistung, wenn genügend Batteriestrom vorhanden ist. Bei niedrigem Energiestand arbeitet das kleinere Gerät jedoch wie ein RFID-Tag und überträgt seinen Energieverbrauch auf das Gerät mit der größeren Batterie.

Ebenso wie Speicher und Berechnungen von relativ begrenzten PCs in die ressourcenreiche Cloud verlagert werden können, soll damit auch der Stromverbrauch für die Kommunikation auf Geräte mit mehr Energie verlagert werden. Die Testergebnisse zeigen, daß die Braidio-Technologie bei der Kommunikation eines kleinen batteriebetriebenen Geräts mit einem Gerät mit größerer Batterie eine etwa 400-mal längere Batterielebensdauer ermöglicht als bei der Verwendung von Standard-Bluetooth.

Durch weitere Optimierungen soll die patentierte Technologie noch kleiner und effizienter gemacht werden, um sich besser für die kommerzielle Produktion und den Massenmarkt zu eignen. Der Bericht mit dem Titel ,Braidio: An Integrated Active-Passive Radio for Mobile Devices with Asymmetric Energy Budgets’ ist im Netz einsehbar. Über weiterführende Aktivitäten läßt sich aber nichts finden.

Das britische soziale Technologie- und Innovationsunternehmen Centre for Process Innovation Ltd. (CPI) schließt im November 2016 ein Projekt zur Entwicklung eines neuartigen gedruckten Energiesammlers ab, der eine wichtige Rolle bei der Verbreitung von Verpackungen mit elektronischen Funktionen spielen soll. Das vor mehr als einem Jahr gestartete Projekt HaRFest (RF energy for IoT) hatte das Ziel, ein kostengünstiges Gerät zur Energiegewinnung zu entwickeln, das in Sensoren, Displays und Speichergeräte integriert werden kann.

Das Gerät, das die Nahfeldkommunikation (NFC) für die Stromversorgung nutzt, bezieht seine Energie vom Mobiltelefon des Benutzers und nutzt NFC, um eine Funkverbindung mit einem anderen Gerät oder Sensor herzustellen, indem es dieses berührt oder sich in dessen Nähe aufhält. Es besteht es aus einer gedruckten Antenne sowie gedruckten passiven und aktiven Komponenten, einschließlich einer Anordnung von Abstimmkondensatoren, und kann auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt werden, um die geerntete Leistung zu maximieren.

Das Gerät ermöglicht die Integration von gedruckter Elektronik in Verpackungsdesigns, deren dünne Substrate normalerweise keine dicken oder unflexiblen Batterien aufnehmen können, um Sensoren für intelligente Verpackungslösungen mit Strom zu versorgen. Auch in diesem Fall läßt sich später keine weitere Erwähnung des Projekts finden.

Wie im Mai 2017 bekannt wird, arbeitet ein Team von Disney Research an der Nutzung einer Technik, die als Ultrabreitband (UWB) bezeichnet wird und es Geräten ermöglicht, ihre Kommunikation huckepack mit der Vielzahl von UKW- und Mobilfunksignalen, die sich bereits in der Luft befinden, zu nutzen.

Systeme des Internets der Dinge (IoT) verbinden Sensornetzwerke in der Regel über Funk, aber Funkgeräte benötigen Batteriestrom und schränken damit die Nutzbarkeit ein. Als Lösung wird daher vorgeschlagen, die Funkgeräte ganz abzuschaffen und über die Umgebungsfunkwellen von Fernsehen, Radio und Mobiltelefonen zu kommunizieren. Solche stromlosen UWB-Rückstreusysteme lassen sich potentiell in jedem Ballungsgebiet einsetzen.

Die Ambient-Backscatter-Techniken nutzen die Fernseh- und Mobilfunksignale, die sich bereits in der Luft befindet, um kleine Transistoren mit Strom zu versorgen oder Datenübertragungen im Huckepackverfahren durchzuführen. Dadurch wird der Energiebedarf solcher Sensoren erheblich gesenkt, da sie kommunizieren können, ohne ihre eigenen Funkwellen auszusenden. Doch während frühere Geräte so kalibriert waren, daß sie ein einzelnes spezifisches FM- oder Mobilfunksignal einspeisen oder huckepack nehmen konnten, nutzt der neue UWB-Ansatz alle Signale im Bereich von 80 - 900 MHz.

Das Team kann die Kommunikation zwischen Knoten und Lesegerät über 22 m bei Verwendung von Umgebungssignalen von Sendetürmen und über 50 m mit Datenraten von bis zu 1 kbps bei gleichzeitiger Nutzung von 17 Umgebungssignalquellen nachweisen. Weiterführende Aktivitäten ließen sich bislang nicht belegen.

Im Juni präsentieren Prof. Aydin Babakhani von der Rice University und Mehdi Razavi vom Texas Heart Institute (THI) auf dem Internationalen Mikrowellensymposium 2017 (IMS) in Honolulu den Prototyp eines kabel- und batterielosen Herzschrittmachers, der direkt in das Herz des Patienten implantiert werden kann und keine Elektroden benötigt, die häufig zu Komplikationen führen. Er wird statt dessen drahtlos über einen Mikrowellensender außerhalb des Körpers mit Strom versorgt.

Die Technologie eröffnet die bemerkenswerte Möglichkeit, drei Ziele der Behandlung sowohl der häufigsten als auch der tödlichsten Herzrhythmusstörungen zu erreichen: externe Stromzufuhr, drahtlose Stimulation und - was bei weitem am wichtigsten ist - Herzdefibrillation, die nicht nur schmerzfrei, sondern für den Patienten sogar unmerklich ist. Der Chip in dem neuen System ist weniger als 4 mm breit und wird mit Mikrowellen im Bereich von 8 - 10 GHz betrieben, die von einem Batteriepack übertragen werden, der sich außerhalb des Körpers des Trägers befindet.

Die externe Stromquelle macht spätere Operationen zum Austausch der Batterie überflüssig und bietet Ärzten zudem die Möglichkeit, die Frequenz der Schrittmachersignale drahtlos zu ändern, indem sie einfach die von der Batterie übertragene Leistung verändern. Das Team hat das Gerät erfolgreich an Tieren getestet und will die Technologie nun in Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, San Diego, für klinische Anwendungen weiterentwickeln.

Im Februar 2018 - Babakhani ist inzwischen an der University of California, Los Angeles (UCLA) - wird berichtet, daß das Team das Gerät an einem Schwein getestet und gezeigt hat, daß es die Herzfrequenz des Tieres von 100 auf 172 Schläge pro Minute einstellen kann. In diesem Jahr sollen weitere Tierversuche durchgeführt werden. Der nächste Schritt besteht darin, bessere Versionen des Herzschrittmachers zu entwickeln. Es lassen sich bislang aber keine weiteren Meldungen diesbezüglich finden.

Im Januar 2018 stellt die Firma Ossia auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas mit der Cota Forever Battery eine kabellose AA-Batterie vor, die sich über Funkwellen aufladen läßt - und dem Unternehmen einen CES Best of Innovation Award beschert.

Zum Hintergrund: Die im Jahr 2008 von dem Physiker und Technologen Hatem Zeine gegründete Firma Ossia (früher: Omnilectric) mit Hauptsitz in Redmond (später: Bellevue) in Washington entwickelte im sogenannten Stealth-Modus die Cota-Technologie, die patentierte RF-Smart-Antennen nutzt, um Geräte über größere Distanzen drahtlos mit Energie zu versorgen.

Die Cota-Produkte basieren auf einer Technologie, bei der ein Transmitter ein präzises, leistungsstarkes HF-Signal an jedes Gerät sendet, das eine Cota-HF-Antenne enthält. Die RF-Empfänger wandeln dieses Signal dann in Energie um. Erstmals öffentlich präsentiert wurde die Technologie dann auf der TechCrunch Disrupt im Jahr 2013. Der Cota Tile, ein drahtloser Sender, der eine Deckenfliese imitiert, wird 2015 mit dem CES-Preis in der Produktkategorie ,Tech for a Better World’ ausgezeichnet.

Auch das kabellose Energiesystem von Ossia, das auf der CES 2016 präsentiert wird und Smartphones auflädt, gewinnt einen Preis. Das System lädt diese Geräte - sofern sie mit einem eingebauten HF-Empfangschip nachgerüstet sind - über die Cota-Basisstation auf, die Tausende von winzigen Antennen besitzt. Diese fangen das HF-Signal auf, das der Cota-Chip wie ein Peilsender hundertmal pro Sekunde aussendet.

Jede einzelne dieser winzigen Antennen empfängt das Hochfrequenzsignal aus einem etwas anderen Winkel, und die Basisstation reagiert darauf, indem sie drahtlose Hochfrequenzsignale in genau dieselbe Richtung zurücksendet. Diese drahtlosen HF-Stromsignale nehmen genau denselben Weg wie die ursprünglichen HF-Signale vom Gerät, nur in die entgegengesetzte Richtung, so daß sie genau dort ankommen, wo sie zum effizienten Laden eines Geräts benötigt werden.

Die Cota-Hardware, die Ossia noch in diesem Jahr in die Hände der Verbraucher geben will, hat eine Reichweite von etwa 3 m, was ausreicht, um Geräte in einem einzigen Raum drahtlos aufzuladen. Das Unternehmen plant jedoch, in Zukunft größere Basisstationen anzubieten, die ein ganzes Haus mit drahtloser Energie versorgen können. Außerdem arbeitet die Firma daran, den Empfängerchip weiter zu verkleinern, damit Smartphone-Hersteller ihn direkt in ihre Geräte einbauen können.

Indem der RF-Empfänger nun in eine AA-Batterie als vertrauten Haushaltsgegenstand eingebaut wird, die ständig aufgeladen bleibt, solange sie sich in Reichweite der Cota-Basisstation befindet, soll der Übergang zu drahtlos betriebenen Geräten erleichtert werden. Denn das kabellose Aufladen des Telefons mit nur einem einzigen Watt Strom, der durch die Luft ausgestrahlt wird, dauert derzeit noch bis zu viermal so lange wie das Aufladen mit einem Kabel.

Und es kann immer nur ein einziges Gerät gleichzeitig mit Strom versorgt werden. Mithilfe einer App und einer intelligenten Hin- und Her-Kommunikation mit mehreren Geräten in Reichweite kann die Basisstation entscheiden, welche Geräte zuerst aufgeladen werden müssen und je nach Strombedarf zwischen ihnen wechseln.

Im Laufe der Folgejahre geht die Ossia diverse Kooperationen ein, entwickelt die Technologie weiter und erhält noch mehre Preise. Im Januar 2019 wird ein neues drahtloses 5,8-GHz-Energiesystem vorgestellt, ein Jahr später der darauf aufbauende drahtlose Stromsender Cota Home. Die Firma erhält auch verschiedene Investitionen, z.B. von dem französischen Industriekonzern Saint-Gobain. Im November 2020 wird die inzwischen von der FCC zugelassene drahtlose Stromversorgung mit einer 2,4-GHz-Plattform zur Lizenzierung angeboten.

Im Januar 2019 veröffentlicht ein großes Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Studie ,Two-dimensional antenna converts Wi-Fi signals into electricity’. Hier wird ein ultradünnes Gerät aus zweidimensionalen Materialien beschrieben, das auf Gleichrichterantennen bzw. Rectennas basiert und elektromagnetische Wechselstromwellen wie Wi-Fi-Signale erfaßt und in Gleichstrom umwandelt.

Da die bisherigen Rectennas aufgrund ihres Materials (Silizium oder Galliumarsenid) zumeist starr sind und sich mehr für die Stromversorgung kleiner elektronischer Geräte eignen, entwickelt das Team eine neue Gleichrichterantenne, die flexibel genug ist, um auf wesentlich größere Maße skaliert zu werden. Hierzu wird der Gleichrichter, der den Strom umwandelt, aus Molybdändisulfid (MoS₂) hergestellt. Dieses halbleitende Material ist nur drei Atome dick, was es extrem flexibel macht.

Der Gleichrichter arbeitet bis zum X-Band (8 - 12 GHz) und deckt den größten Teil des nicht lizenzierten industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Funkbandes ab, einschließlich der Wi-Fi-Kanäle. Er kann die drahtlosen Signale mit einem Wirkungsgrad von etwa 30 % erfassen und umwandeln, was den Forschern zufolge viel höher ist als bei anderen flexiblen Designs. Zudem besteht eine Geschwindigkeitsverbesserung von etwa einer Größenordnung im Vergleich zu den derzeitigen flexiblen Gleichrichtern.

Dennoch kann er nicht mit anderen Gleichrichtern mithalten, die einen Wirkungsgrad von bis zu 60 % erreichen. Außerdem erzeugt er eine relativ geringe Strommenge, nämlich etwa 40 µW aus etwa 150 µW Wi-Fi-Leistung. Das ist zwar nicht viel, sollte aber ausreichen, um kleine tragbare oder medizinische elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

Als Nächstes plant das Team, die Effizienz zu verbessern und komplexere Systeme zu bauen. Die atomare Dicke und die Möglichkeit einer Synthese in großem Maßstab sollen die Entwicklung einer ,intelligenten Haut’ ermöglichen, die gewöhnliche Gegenstände in ein intelligentes verteiltes Sensornetz verwandelt.

Ein Team von 44 Forschern um John A. Rogers von der Northwestern University berichtet im März 2019 über die Entwicklung drahtloser epidermaler Elektroniksysteme für die bessere Versorgung von schwerkranken Neugeborenen. Bei diesen Systemen werden die am Körper getragenen Sensoren über eingebettete Hochfrequenzspulen mit Strom versorgt, um ihre Funktion zu entfalten und auch Daten zu übertragen. Die Studie ,Binodal, wireless epidermal electronic systems with in-sensor analytics for neonatal intensive care’ ist im Netz einsehbar.

Kommen Babys deutlich zur früh zur Welt, bedeutet das oft, daß sie mit vielen Kabeln am Körper versehen werden, damit Sensoren auf ihrer Haut Blutdruck und Puls messen und auf Monitoren anzeigen. Haut-zu-Haut-Kontakt fördert bei Frühgeborenen die Entwicklung, doch Eltern haben oft Angst, an einem Kabel zu zerren oder eine der Elektroden von der verletzlichen Haut zu reißen. Auch beim Abziehen kommt es immer wieder zu Verletzungen der Haut, selbst wenn Ärzte und Pfleger extrem vorsichtig sind.

Um dieses Problem zu lösen entwickeln die Forscher Sensoren, die auf winzige Neugeborene zugeschnitten sind, nicht so stark kleben und die gemessenen Informationen ohne Kabel an Computer übermitteln. Hierzu werden ultradünne Flicken aus biegsamem Silikon konstruiert, die sich mit der Haut bewegen und haften bleiben, ohne eine starke Klebekraft zu entfalten.

Diese werden mit Elektroden versehen, die ebenfalls beweglich sind, wasserfest und im Gegensatz zu den bisherigen Materialien keine Wechselwirkungen mit Röntgenstrahlen oder dem Magnetfeld eines MRT-Scans entfalten. Auf der Abbildung sind Ergebnisse der Modellierung und Bilder des resultierenden Elektrokardiogramm (EKG)- und des Photoplethysmogramm (PPG)-Sensors zu sehen. Außerdem wird in dem Silikon ein Transmitter für die Meßwerte untergebracht.

Um alle wichtigen Daten zu erfassen, braucht es nur noch zwei Sensoren, die miteinander interagieren: einen auf dem Brustkorb, der beispielsweise die Herzaktivität überwacht, und einen um den Fuß, der die Sauerstoffsättigung mißt. Indem die beiden Sensoren ermitteln, wie lange der Puls vom Herz bis in den Fuß benötigt, läßt sich aus den Daten zudem der Blutdruck bestimmen.

Die Forscher haben ihre Technik erfolgreich bei rund 80 Babys angewendet, doch bevor sie in den USA und Europa zugelassen wird, sind noch weitere Tests notwendig. Es wird geschätzt, daß sich die neuen Sensoren für 10 - 15 $ produzieren lassen. Mit Unterstützung der Bill und Melinda Gates Stiftung sowie von Save The Children plant Rogers nun eine Studie in Sambia, die im April startet und bei der bis Ende des Jahres bis zu 20.000 Sensoren in Indien, Pakistan und Sambia getestet werden sollen.

Im März 2020 folgt der Bericht eines weiteren Teams des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Hiroki Isobe über eine neue Methode, um hochfrequente Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot- und Mikrowellen liegt, zur Energiegewinnung zu nutzen. Die Methode ist aber nur ein Konzept und wurde bislang noch nicht getestet.

Die meisten Gleichrichter sind für die Umwandlung von Niederfrequenzwellen ausgelegt, wie z.B. Radiowellen, und verwenden einen elektrischen Schaltkreis mit Dioden. Sie funktionieren aber nur bis zu einer bestimmten Frequenz und sind nicht in der Lage, den Terahertz-Bereich zu verarbeiten. Anstatt also elektromagnetische Wellen durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes in einem Gerät in Gleichstrom umzuwandeln, galt es die eigenen Elektronen eines Materials auf quantenmechanischer Ebene dazu zu bringen, in eine Richtung zu fließen, um eintreffende Terahertz-Wellen in einen Gleichstrom zu lenken.

Der konzeptuelle Gleichrichter des MIT besteht aus einem kleinen Quadrat aus Graphen mit einer darunter liegenden Schicht aus Bornitrid, die auf beiden Seiten von einer Antenne flankiert wird. Diese Antenne fängt die Strahlung aus der Umgebung auf, verstärkt das Signal und leitet es an das Graphen weiter. Das wiederum führt dazu, daß die Elektronen im Graphen alle in dieselbe Richtung fließen, wodurch ein Gleichstrom entsteht.

Das Graphen muß hierfür so rein sein wie möglich, da jegliche Verunreinigungen die Elektronen streuen würden. Auch die Bornitridschicht ist dazu da, dies zu verhindern. Normalerweise würden die Elektronen in Graphen gleichmäßig in alle Richtungen gestreut werden, aber die Bor- und Stickstoffatome in der unteren Schicht lenken ihren Weg gerade so weit um, daß sie sich alle gemeinsam bewegen.

Obwohl der Gleichrichter wahrscheinlich nur eine geringe Menge an Strom erzeugen würde, hat das Team ein Patent für das neue Design der Hochfrequenz-Gleichrichtung angemeldet und plant mit dem Bau und der Erprobung des physischen Geräts zu beginnen. Die Forschungsarbeit wird zum Teil über das Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) von der U.S. Army finanziert. Die aktuelle Studie ist unter dem Titel ,High-frequency rectification via chiral Bloch electrons’ im Netz einsehbar.

Zudem arbeitet das MIT gemeinsam mit dem schwedische Netzwerkausrüster Ericsson an Techniken zur Energieaufnahme aus der Umgebung, wie im September 2021 bekannt wird. Das Unternehmen hat eine Vision für 6G, die auf dem Wunsch basiert, eine nahtlose Realität zu schaffen, in der die digitale und die physische Welt miteinander verschmelzen. Dabei ist 6G die Bezeichnung für die sechste Generation von Mobilfunknetzen, die eine allgegenwärtige drahtlose Intelligenz ermöglichen sollen und voraussichtlich Anfang der 2030er Jahre zur Verfügung stehen werden.

In diesem Zusammenhang wollen die Partner gänzlich neue Schaltkreise entwickeln, die mit den niedrigen Energiemengen auskommen, sowie neue, energieeffizientere Sicherheitsmechanismen, da bei den aktuellen NB-IoT-Geräten alleine der Energiebedarf zur Verschlüsselung der Geräteidentität (IMSI) den Ertrag mehrerer Tage Stromernte benötigt. Außerdem wird an der Effizienz der Geräte gearbeitet.

Auch ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Huanyu ,Larry’ Cheng an der Pennsylvania State University, an dem Kollegen der Wuhan University of Technology beteiligt sind, entwickelt einem Bericht vom März 2021 zufolge eine Möglichkeit, Energie aus Radiowellen zu gewinnen, um tragbare Geräte zu betreiben.

Hochfrequenz (HF)-Antennen und -Gleichrichter ermöglichen zwar eine drahtlose Kommunikation und HF-Energieernte im Fernfeld, doch ihre Leistung verschlechtert sich aufgrund der Frequenzverschiebung durch mechanische Verformungen. Als Lösung werden dehnbare Breitbandantennen und Gleichrichter vorgestellt, die vollständig aus laserinduziertem Graphen (LIG) hergestellt sind, bei mechanischen Verformungen robust arbeiten und die empfangene HF-Leistung über ihr Breitband kombinieren.

Das Team veranschaulicht die Technologie mit einer dehnbaren Breitband-Gleichrichterantenne, die mit verschiedenen funktionalen Sensormodulen integriert ist und eine gegenüber dem Stand der Technik um das 10- bis 100-fache verbesserte Effizienz zeigt. Darüber hinaus werden in dem Bericht Fertigungsverfahren, Gerätekomponenten und theoretische Entwurfswerkzeuge für dehnbare Breitbandantennen (All-LIG flexible rectennas) und Gleichrichter vorgestellt.

Über eine andere Anwendung von Graphen zur Nutzung von Terahertz-Signalen - die hier nur als interessante Peripherinformation aufgeführt wird - berichtet im April 2023 ein großes Wissenschaftlerteam um Igor Ilyakov vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), an dem auch Kollegen der University of Exeter, der TU Eindhoven und des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) beteiligt sind.

Bei den Arbeiten, die in dem einsehbaren Artikel ,Ultrafast Tunable Terahertz-to-Visible Light Conversion through Thermal Radiation from Graphene Metamaterials’ beschrieben werden, geht es nämlich um die Umwandlung von drahtlosen 6G-Signalen in Licht, was den Datentransfer zu Glasfaserleitungen erleichtern soll.

Ebenfalls im März 2021 wird über ein Team der Georgia Tech um Prof. Emmanouil M. Tentzeris berichtet, das in seinem ATHENA-Labor an der Universität eine 3D-gedruckte Antenne zur Energiegewinnung entwickelt, die die elektromagnetische Energie der 5G-Signale aufnimmt, um Geräte mit Strom zu versorgen. Hierzu wird eine flexible, auf Rotman-Linsen basierende Gleichrichterantenne entwickelt, die Millimeterwellen im 28-GHz-Band auffangen kann.

Die kreditkartengroße Variante der Technologie hat eine stachelige Platte in der Mitte, die aus jeder Richtung die Millimeterwellen des 5G-Netzwerks aufnimmt, das sich überall verbreitet, besonders in städtischen Gebieten. Zuvor gab es bereits Versuche, die 24- oder 35-GHz-Frequenzen zu erfassen, die jedoch nicht sehr praktikabel waren, da sie nur funktionierten, wenn sie sich in Sichtweite der 5G-Basisstation befanden.

Im Moment ist die Technologie nur in der Lage, IoT-Geräte mit niedrigem Energieverbrauch zu betreiben, wie z.B. Thermostat-Sensoren. Sie könnte in Zukunft aber auch als energiegewinnende Handyhülle oder als Kreditkarte in der Brieftasche zum Einsatz kommen, die die Smartwatch auflädt.

Im Mai 2021 folgt die Veröffentlichung einer Machbarkeitsstudie von Wissenschaftlern um Prof. Yang Hyunsoo und Raghav Sharma von der National University of Singapore (NUS) und der japanischen Tohoku University, die einen neuartigen Chip vorstellen, der Wi-Fi-Signale in Strom für eine kleine LED umwandelt. Die Studie unter dem Titel ,Electrically connected spin-torque oscillators array for 2.4 GHz WiFi band transmission and energy harvesting’ ist im Netz einsehbar.

Die Grundlage der Umwandlung der von handelsüblichen Internetroutern abgestrahlten 2,4 GHz Wellen in Elektrizität bilden Spin-Torque-Oszillatoren (STOs), Nanomagneten, die mit elektromagnetischen Wellen schwingen und üblicherweise in Geräten zur drahtlosen Kommunikation eingebaut sind. Jeder schwingende Minioszillator gibt selbst schwache Mikrowellenstrahlung ab, die in der Theorie in Energie umgesetzt werden kann.

In der Praxis müssen aber viele STOs elektrisch synchronisiert werden, damit die insgesamt abgegebene Energie ausreichend stark ist und die Linienbreite der emittierten Frequenz nicht allzu breit ausfasert. Bei ihren Versuchen schalten die Forscher acht STOs in eine Reihe, die die 2,4 GHz Wellen eines WiFi-Routers in elektrische Ladung umsetzt und einen Kondensator speist. Dieser ist nach fünf Sekunden aufgeladen und versorgt eine 1,6 V LED über eine Minute lang, auch nachdem der Router abgeschaltet wird und keine WiFi-Wellen mehr sendet.

Die Forschung zeigt, wie wichtig die Topologie von STOs etwa auf Chips hat. Im Vergleich zu der Strom produzierenden Kette von acht STOs erzeugen zwei mal vier parallel geschaltete, synchronisierte STOs eher stabile und rauscharme Wellenbänder, die für die drahtlose Kommunikation geeignet sind. In den nächsten Projekten will das Team daher herausfinden, wie die Eigenschaften ihrer Minigeräte sich verändern, wenn mehr STOs kombiniert werden.

Einer Pressemitteilung der NUS vom Juli 2024 zufolge hat das Forschungsteam inzwischen wesentliche Fortschritte gemacht. Der entsprechende Artikel ,Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy’ ist allerdings nicht offen einsehbar. Der Zusammenfassung nach wird die Verwendung von Spin-Gleichrichtern (spin-rectifiers, SRs) im Nanomaßstab demonstriert, was sogar bei niedrigen HF-Leistungspegeln unter -20 dBm gelingt – einer Schwelle, bei der bestehende Technologien Schwierigkeiten haben.

Um die Leistung zu verbessern und einen On-Chip-Betrieb zu erreichen, werden die SRs in einer Antennen-Anordnung gekoppelt, die in einem breiten Leistungsbereich effektiv arbeitet. Dabei erreichte eine Antenne aus zehn SRs eine Effizienz von 7,8 %. Das Forschungsteam konzentriert sich nun auf die Integration einer On-Chip-Antenne, um die Effizienz und Kompaktheit ihrer Technologie weiter zu verbessern.

Im Dezember 2021 stellen Professorin Yang Zhao sowie die Wissenschaftler Hanwei Wang und Yun-Sheng Cheng von der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) ein 1 mm dickes Ladegerät in Form eines Pflasters für Herzschrittmacher und ähnliche Implantate vor, das etwa 10 x 10 cm groß ist und auf die Haut oberhalb des implantierten Geräts geklebt oder mit Klettband auf einem Kleidungsstück befestigt wird. Implantate, die mit drahtlosen Energieempfängern ausgestattet sind, werden häufig aufgeladen, indem sich der Patient sich in ein Ladegerät legen muß, das ein elektrisches Feld erzeugt. Der Patient muß also regelmäßig zum Aufladen seiner Akkus in ein Klinikum fahren.

Das neue Pflaster wandelt hingegen die Energie, die in den allgegenwärtigen elektromagnetischen Feldern steckt, in Wechselstrom um, der kontaktlos auf den implantierten Empfänger übertragen wird, wo er in Gleichstrom umgewandelt die Batterie versorgt (wireless power transfer, WPT). Zudem ist das aus dreidimensionalen Metamaterialien hergestellte Pflaster in der Lage auch mehrere implantierte Geräte mit Strom zu versorgen. Der Artikel ,A wearable metasurface for high efficiency, free-positioning omnidirectional wireless power transfer’ ist im Netz einsehbar. Und es gibt eine Patentanmeldung aus dem Jahr 2022 (US-Nr. 20230047663).

Ein weiterer interessanter Beitrag, der im November 2024 publiziert wird, stammt von einem Team um Prof. Dinesh Bharadia an der University of California San Diego in La Jolla. Hierbei geht es um batterielose RFID-Sensoren für diverse Anwendungsfälle.

Dem folgt im Januar 2025 eine einsehbare Studie der Syracuse University, in welcher Forscher um Younes Ra’di ultradünne Absorber mit rekordverdächtiger Bandbreite entwickeln (,Passive highly dispersive matching network enabling broadband electromagnetic absorption’).

 

Abschließende Hinweise: Mir sind die Risiken starker Strahlung bekannt, ebenso wie die potentielle Gefährlichkeit schwacher Wellen der unterschiedlichsten Art auf die Gesundheit. Die vorliegende Übersicht ist aber nicht der passende Ort, um diese Themen zu vertiefen. Da ich selbst gemeinsam mit Bernhard Harrer und Pit Schulz bereits Anfang der 1990er das E-Smog Archiv Berlin aufgebaut und im Rahmen des Datendiwan Informationen über Elektrosmog veröffentlicht und auch Ausstellungen mit praktischen Versuchen durchgeführt habe, begnüge ich mich an dieser Stelle mit einem Verweis darauf.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist, daß es sich bei Funkwellen um eine Quelle handelt, in die bereits Energie investiert wurde - im Gegensatz zur der Solarstrahlung beispielsweise -, womit es sich bei diesen Energy-Harvesting-Technologien also eher um Systeme zur Energierückgewinnung handelt.

Über das Thema der kabellosen Stromversorgung habe ich in den Jahresübersichten der Elektro- und Solarfluggeräte bereits mehrfach berichtet: Die US-Firma LaserMotive macht dies per Laserstrahl (s. 2010, 2012); an der University of Nebraska-Lincoln wird ein Induktionssystem namens NIMBUS entwickelt (2012); das Berliner Startup SkySense Inc. arbeitet mit einem aus Platten bestehenden Induktions-Ladesystem (2013); Forscher des Imperial College London lassen eine Drohne über einer Stromquelle schweben und sie durch die Luft induktiv aufladen; ebenso geschieht es bei der Firma Global Energy Transmission Corp. (2016); und auch Ingenieure der Washington University arbeiten daran, ihre winzige RoboFly-Drohne mittels Laserstrahl zu versorgen (2018). Die Firma Toyota entwickelt wiederum eine kleine Drohne, deren Wandler ein äußeres hochfrequentes elektromagnetisches Feld in Strom für den Antriebsmotor und die Elektronik an Bord umwandelt (2021).

 

Weiter mit Licht, UV, Infrarot und Laser...