TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Schall (II)

Ein Jahr später ist die Idee der Schallnutzung auch in den arabischen Ländern angekommen. Im April 2011 gewinnen die vier Studenten Mohammad Arsalan, Mohammad Ajmal, Danial Ahmad und Mohammad Ateeq von der American University of Sharjah in den Vereinigten Arabischen Emiraten eine Auszeichnung des Institute for Engineering and Technology (IET) für die Entwicklung einer piezoelektrischen Technologie, die ihre Leistung aus akustischen Geräuschen und Ultraschallwellen der Umgebung erntet. Technische Details werden keine bekanntgegeben.

Ebenfalls im April gewinnt die neu gegründete US-Firma uBeam (später: SonicEnergy) den Erfindungswettbewerb PennVention der University of Pennsylvania für ein kabelloses Ladesystem, das über Ultraschall funktioniert. Das Unternehmen von Meredith Perry stellt den ersten Prototypen der Technologie im Mai auf der All Things Digital Conference des Wall Street Journal vor. Später erhält die Firma 26 Mio. $ von Risikokapitalgebern und Investoren.

Im November 2015 veröffentlicht die uBeam die technischen Spezifikationen für das vorgeschlagenes System, das demnach Ultraschall bei Frequenzen zwischen 45 kHz und 75 kHz mit einer Schallintensität von 145 dB - 155 dB übertragen und eine Phased-Array-Technik zur Ausrichtung des Strahls verwenden würde. Dabei lenken polymere Lautsprecher mit polarisiertem Strahl die Schallenergie innerhalb einer bestimmten physikalischen Struktur.

Im Jahr 2016 verläßt das gesamte ursprüngliche Ingenieurteam von uBeam das Unternehmen, und der ehemalige Vizepräsident für Technik Paul Reynolds schreibt eine Reihe von Blogbeiträgen, in denen er feststellt, daß die Technologie nicht funktioniere: „Theoretisch mag [uBeam] in begrenzten Fällen möglich sein, aber die Sicherheit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit bedeuten, daß es nicht einmal im Entferntesten praktikabel ist.“

Trotzdem stellt die Firma auf dem Upfront Summit im Februar 2017 einen funktionierenden Prototyp der Technologie vor stellt und das kabellose Aufladen mehrerer Telefone demonstriert. In den darauffolgenden Jahren gibt es diverse Umbesetzungen an der Unternehmensspitze, wobei im Dezember 2018 auch der Name zu SonicEnergy geändert wird. Dem aktuellen Informationsstand zufolge soll die Firma im Februar 2024 den Betrieb eingestellt haben.

Im Mai 2011 folgt die Meldung über einen Beitrag der Designer Luo Lide, Chen Songrong, Li Daiyan, Lin Haoting und Xu Junwei aus Korea zum internationalen Industriedesign- und Innovations-Wettbewerb Lotus Prize, der alle zwei Jahre von der Provinzregierung von Hunan in China veranstaltet wird, 2010 zum zweiten Mal.

Mit dem Konzept Eco Noise gewinnt das Team den Silbernen Preis der Sparte der digitalen Produkte und Designs. Der von ihnen vorgeschlagene digitale Bauzaun könnte die Lösung in schnell wachsenden Städten sein, um den Baulärm der Arbeiten zu reduzieren.

Während die innere Seite des Zauns mit speziellen Fliesen bedeckt ist, die den Lärm absorbieren und in Energie umwandeln – wobei sich die Designer explizit auf das zuvor erwähnte Schall-Sandwich der Sungkyunkwan University beziehen –, ist die nach außen gewandte Seite als breitflächige OLED-Lichtanzeige gestaltet, die sich gut als Werbetafel nutzen ließe.

Auf dem Rockfestival in Glastonbury im Mai 2011 macht der britische Mobilfunkanbieter Orange als offizieller Kommunikationspartner des Festivals erfolgreich Eigenwerbung mit seinem Sound-Charge T-Shirt, das sich allerdings noch in der Entwicklung befindet.

In dem elektrifizierenden Bekleidungsstück, von dem es bislang drei Prototypen gibt, sorgt ein gewöhnlicher piezoelektrischer Film für die Stromerzeugung, der unter dem A4-großen weißen Feld an der Vorderseite angebracht ist. Dabei braucht man nicht darauf herumdrücken, stattdessen soll der Schalldruck ausreichen, um den Strom für das Handy und den MP3-Player zu liefern.

Für Rockfestivals ist die Idee sicherlich angebracht, denn je mehr Schalldruck, je mehr Strom erzeugt das Leibchen. Kurz gesagt: Erst wenn es so richtig laut wird, kann der Akku auch ordentlich aufgeladen werden. Den Entwicklern zufolge soll aber schon ein Schalldruck von 80 db ausreichen, um während des ganzen Festival-Wochenendes mit einem Ertrag von bis zu 5 Wh zwei Handys oder ein Smartphone mit Energie zu versorgen.

Orange ist schon länger im Bereich der Erneuerbaren Energie umtriebig – und immer auf dem Glastonbury-Festival: Im Jahr 2007 wird der Prototyp eines 0,5 W Miniatur-Windkraftwerkes namens Orange Wind Charger präsentiert; 2008 folgt der Dance Charge, ein Generator, der am Oberarm befestigt Wackeln und Schwingen in Strom umsetzt, sowie eine große Solar-Wind-Ladeanlage, die bis zu 100 Handys pro Stunde aufladen kann; und 2009 wird das Konzept eines mit drei Dünnschicht-Paneelen bedeckten Solar-Zeltes gezeigt – sowie die Orange Power Pump, bei welcher der von einer Fußpumpe erzeugte Luftstrom eine kleine Luftturbine antreibt, die über einen Generator Strom erzeugt. 2010 folgen mit den Orange Power Wellies Gummistiefel, die mittels einer Stromerzeugungs-Sohle den thermoelektrischen Effekt nutzen, um die Wärme von den Füßen des Trägers in Strom umzuwandeln.

Im August 2011 zeigt Prof. Burkard Hillebrands von der Technischen Universität Kaiserslautern gemeinsam mit japanischen Forschern um Prof. Eiji Saitoh von der Tohoku University in Sendai sowie Prof. Sadamichi Maekawa aus Tokai, daß Spinströme auch mit Schallwellen erzeugt werden können (,Temporal evolution of inverse spin Hall effect voltage in a magnetic insulator-nonmagnetic metal structure’).

In der Teilchenphysik wird mit Spin-Strom ein Strom von Spins bezeichnet, also den Eigendrehimpulsen von Teilchen – analog zum elektrischen Strom, der ein Strom elektrischer Ladungen ist. Ströme von bestimmten quantenmechanischen Spins bilden eine Alternative zu elektrischen Strömen in elektronischen Bauelementen, zudem sie sich möglicherweise verlustfrei übertragen lassen. Es erfolgen daher gegenwärtig große Forschungsanstrengungen, um Spinströme zu erzeugen und zu detektieren und so für Anwendungen in der Spintronik nutzbar zu machen, einer neuen Form der Elektronik.

Leider ließen sich bislang noch keine Details zur erwähnten Schallnutzung finden, obwohl die Entdeckung als ein wichtiger Meilenstein gilt. In einem Pressebericht wird nur gesagt, daß die Forscher Energie von Schallwellen in elektromagnetische Energie umwandeln, indem „ein magnetischer Spinstrom zwischen Metallschichten eingeschlossen wird.“

Im Experiment werden Schallwellen auf eine Grenzfläche zwischen einer dünnen Metallschicht und magnetischem Material gerichtet, worauf an einem darüber angebrachten Paar von Elektroden elektrische Signale erzeugt werden. Dies geschieht, da ein Spin-Strom entsteht, der von den Metallschichten aufgenommen wird, wenn Schallwellen das magnetische Material erreichen. Hier wird der Spin-Strom aufgrund des sogenannten Inversen Spin-Hall-Effekts (ISHE) in eine elektrische Spannung umgewandelt.

Während der klassische Hall-Effekt das Auftreten einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter beschreibt, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet, gilt der Spin-Hall-Effekt als ein quantenmechanischer Effekt, der in gewisser Weise in Analogie zum Hall-Effekt zu sehen ist. Beim inversen Spin-Hall-Effekt verursacht eine raumabhängige Spin-Polarisation einen spinpolarisierten Strom, der unter der Wirkung des Magnetfeldes wiederum einen elektrischen Strom induziert. Durch den kurzzeitig fließenden elektrischen Strom baut sich in der Elektrode eine elektrische Spannung auf, die auch gemessen werden kann.

Das internationale Team findet weiterhin heraus, daß Spinströme auch durch einen weiteren Effekt, den sogenannten langreichweitigen Spin-Seebeck-Effekt, erzeugt werden können. Hierzu wird ein isolierendes, nichtmagnetisches Substrat mit speziellen aufgebrachten Doppellagen-Streifen aus einer Nickel-Eisen-Legierung und Platin an einer Seite aufgeheizt, so daß es einen räumlichen Temperaturverlauf erhält.

Temperatur erzeugt Quanten von Schallanregungen, sogenannte Phononen. Das Wärmegefälle sorgt für eine Diffusion von Phononen in der isolierenden Saphir-Schicht. Die Phononen werden an der Grenzfläche Ferromagnet/Saphir in einen Spinstrom umgewandelt, der in der Platinschicht nachgewiesen werden kann. Diese Grundlagenentdeckung, die noch einer genauen theoretischen Erklärung bedarf, eröffnet ganz neue Möglichkeiten zum Entwurf neuartiger Bauelemente für die Informationsverarbeitung.

Im Jahr  2012 folgen zwei weitere Veröffentlichungen: ,Acoustic spin pumping: Direct generation of spin currents from sound waves in Pt/Y₃Fe₅O₁₂ hybrid structures’ sowie ,Thermal spin pumping and magnon-phonon-mediated spin-Seebeck effect’.

Im Juni 2015 erscheint unter dem Titel ,Magnon spintronics’ eine Übersicht zur Magnon-Spintronik (o. Magnonik), die sich als Bereich der Spintronik mit Strukturen, Geräten und Schaltkreisen befaßt, die von Magnonen getragene Spinströme nutzen. Die magnetischen Phänomene in Kristallen, die durch den Spin, also den Eigendrehimpuls der Elektronen, verursacht werden, gewinnen demnach zunehmenden Bedeutung - nicht zuletzt bei Konzepten und experimentellen Studien zu magnonenbasierten Rechenschaltungen.

Der in der Schweiz geborene Physiker und Nobelpreisträger Felix Bloch hatte Spinwellen übrigens schon im Jahr 1929 in seiner Doktorarbeit vorhergesagt.

In diesem Zusammenhang sei auch auf die einsehbare Veröffentlichung ,Long-distance transport of magnon spin information in a magnetic insulator at room temperature’ verwiesen, die von einem Team um L. J. Cornelissen von der Universität Groningen stammt und im September 2015 erscheint. Auch bei den hier geschilderten Versuchen, ein elektrisches Signal in Spinwellen umzuwandeln und damit nach 40 µm Wegstrecke wieder ein elektrisches Signal hervorzurufen, geht es um das Transportieren von Informationen.

Hier soll nur noch erwähnt werden, daß einer Veröffentlichung vom April 2016 zufolge auch die Physikprofessoren Z. Valy Vardeny und Christoph Boehme und ihr Team an der University of Utah in Salt Lake City magnetischen Spin-Strom in elektrischen Strom umwandeln, wobei sie zeigen, daß der inverse Spin-Hall-Effekt auch in mehreren organischen Halbleitern funktioniert, einschließlich Kohlenstoff-60 Buckyballs. Der Wirkungsgrad dieses neuen Umwandlungsverfahrens ist noch nicht bekannt, aber es könnte Verwendung in zukünftigen elektronischen Vorrichtungen finden, einschließlich Batterien, Solarzellen und Computern.

Im April 2016 folgt mit der Studie ,Inverse spin Hall effect from pulsed spin current in organic semiconductors with tunable spin–orbit coupling’ ein Bericht der University of Utah, wo ein Team um die Physikprofessoren Z. Valy Vardeny und Christoph Boehme magnetischen Spin-Strom in elektrischen Strom umwandeln, wobei sie zeigen, daß der inverse Spin-Hall-Effekt auch in mehreren organischen Halbleitern funktioniert, einschließlich Kohlenstoff-60 Buckyballs. Der Wirkungsgrad dieses neuen Umwandlungsverfahrens ist noch nicht bekannt, aber es könnte Verwendung in zukünftigen elektronischen Vorrichtungen finden, einschließlich Batterien, Solarzellen und Computern.

Mehr über die Varianten des Seebeck-Effekts ist unter Thermoelektrizität sowie unter Magnetische Batterie zu finden (s.d.).

Im November 2011 veröffentlicht die School of Engineering des Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine kurze Analyse zum Thema der Schallenergie-Nutzung, in welcher darauf hingewiesen wird, daß die Töne, die das menschliche Gehör ertragen kann, eine sehr geringen Energiedichte haben.

Selbst das, was das Ohr als klirrende Kakophonie wahrnimmt – das Dröhnen eines Zuges oder das Heulen eines pneumatischen Bohrers –, erreicht nur etwa 0,01 W/m², während im Vergleich die Menge an Sonnenlicht, die auf die Erde trifft, bis zu 1.000 W/m² beträgt. Inwieweit dies andere Wissenschaftler entmutigt, sich weiter mit dem Schall zu beschäftigen, ist nicht bekannt.

Im Januar 2012 stellen Forscher der Purdue University um Prof. Babek Ziaie ein neues medizinisches Implantat vor, das aufgrund seines druckempfindlichen mikroelektromechanischen Systems Schallwellen als Energiequelle nutzt.

Das Gerät, das sich zu diesem Zeitpunkt in der Phase des konzeptionellen Beweises befindet, besitzt einen 2 cm langen piezoelektrischen, vibrierenden Ausleger aus Blei-Zirkonat-Titanat, der für Töne ebenso wie für Musik empfänglich ist, solange diese in einem Frequenzspektrum von 200 – 500 Hz auftreten, was dem Ende des hörbaren Bereichs entspricht.

Das subkutane Implantat kann damit niederfrequente Schwingungen in elektrische Energie umwandeln, die in einem Kondensator gesammelt wird. Sobald der Ausleger nicht mehr schwingt, wird eine elektrische Ladung auf einen Sensor übertragen, der einen Druckwert der Blutgefäße oder der Blase (bei Inkontinenz) des Patienten aufnimmt und das Ergebnis drahtlos an den Überwachungsmonitor sendet.

Interessanterweise finden die Forscher bei ihren Tests mit Rap, Blues, Jazz und Rock-Musik als Quelle für die akustischen Wellen heraus, daß die tiefen Bässe von Rap- und Hip-Hop-Musik am besten funktionieren.

Chinesische Forscher um Xiao Peng und seine Kollegen von der Chongqing Universität präsentieren im Oktober 2013 einen akustischen Generator, der durch Schallwellen über einen breiten Frequenzbereich angetrieben wird.

Um den Umgebungsschall nutzen zu können, montiert das Forscherteam ein Minikraftwerk zusammen, das ein Piezoelement aus Blei-Zirkonat-Titanat auf einer dünnen Scheibe enthält, welches in einen Zylinder gelagert wird. In diesen werden dann die Schallwellen geführt, die zuvor durch eine bis zu 2 m lange Röhre verstärkt wurden.

Bei ihren Tests beschallen die Entwickler den akustischen Generator mit relativ hohen Tönen von 800 – 1.600 Hz bei einem konstanten Schalldruck von 100 dB. Wie erwartet, treten die stärksten Vibrationen der Piezoscheibe und des Schallzylinders bei bestimmten Frequenzen auf, bei denen sich resonante Schwingungen aufbauen. Der Prototyp verfügt zudem über einen verschiebbaren Stempel, um dieses Resonanzverhalten gezielt zu verändern. Dabei treten über einen Frequenzbereich von 1.100 – 1.400 Hz Vibrationen auf, die zur Stromerzeugung genutzt werden können. Bei Spannungen von bis zu 1,6 V fließen Ströme mit einigen Mikrowatt Leistung.

Im Gegensatz zu anderen Modellen, die schon zuvor deutlich höhere Stromausbeuten mit bis zu einigen Milliwatt Leistung erreichten – allerdings nur bei einzelnen, festen Frequenzen –, zeigt das neue Prinzip einer Schallkammer mit verschiebbarem Stempel, daß sich akustische Generatoren auch variabel an die verfügbaren Schallquellen anpassen lassen. Über weitere Schritte ist bislang nichts bekannt.

Im August 2014 verbreiten sich in den Medien Informationen über eine Entwicklung an der Queen Mary University of London (QMUL), wo Forscher um Joe Briscoe und Steve Dunn ebenfalls an Handys arbeiten, die in Zukunft durch Umgebungsgeräusche wie Musik, Verkehrslärm oder Fußball-Fangesänge aufladen lassen.

In Zusammenarbeit mit der Firma Nokia entwickelt das Team einen Nanogenerator, der Strom aus durch den Schall verursachten Vibrationen gewinnt, wobei der Prototyp in der Größe eines Lumia 925 eine Spannung von 5 V liefert, was ausreichend zum Akkuladen ist.

Briscoe ist Teil eines Teams, das im Vorjahr festgestellt hatte, daß Musik die Leistung von Solarzellen verbessert. Aufbauend auf den damaligen Ergebnissen wird ein Nanogenerator mit Nanostäbchen aus Zinkoxid entwickelt, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen. Um die Generator-Nanostäbchen wachsen zu lassen, wird mit einem neuen, günstigen Verfahren flüssiges Zinkoxid auf Plastikoberflächen aufgesprüht und dann auf 90°C erhitzt. Ein Generatorgehäuse von 1 x 2 cm enthält dabei Milliarden von Stäbchen.

In einem weiteren technischen Durchbruch gelingt es den QMUL-Forschern, auf teure Goldkontakte zu verzichten und diese durch günstige Alufolie zu ersetzen.

Einen winzigen, schallbetriebenen Chip als medizinisches Gerät, um biologische Prozesse zu überwachen und punktgenaue Therapien zur Behandlung von Krankheiten zu liefern oder um Schmerzen zu lindern, stellen im Oktober 2014 medizinische Forscher und Ingenieure der Stanford University um Prof. Amin Arbabian vor.

Der Ansatz beinhaltet eine sichere und drahtlose Methode, um Energie mittels Ultraschall an ,Smart Chips’ im Inneren des Körpers zu senden, die darauf programmiert sind, drei Dinge zu tun: die eingehenden Schallwellen in Elektrizität umzuwandeln, medizinische Aufgaben durchzuführen und mittels einer winzigen eingebauten Funkantenne über die Ergebnisse zu berichten.

Ultraschall wird gewählt, weil er bereits in vielen Anwendungen sicher verwendet wird und den nur einen Millimeter großen oder noch kleineren Implantaten eine ausreichende Leistung zur Verfügung stellen kann. Der Empfänger besteht auch im vorliegenden Fall aus  piezoelektrischem Material. Das Implantat agiert dabei wie eine elektrische Feder, die eine Million Mal pro Sekunde komprimiert und dekomprimiert wird, wodurch auf dem Chip eine elektrische Ladung entsteht.

Der aktuelle Prototyp hat die Größe einer Kugelschreiberspitze. Gemeinsam mit anderen Forschern wie Prof. Florian Solzbacher von der University of Utah, arbeitet das Arbabian-Team nun an der Entwicklung schallbetriebener Implantate für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen. Mit dem Stanford-Professor Butrus ,Pierre’ Khuri-Yakub, einem Ultraschallexperten, sowie Amin Nikoozadeh, einem Forscher am E. L. Ginzton Laboratory, sollen zudem noch kleinere Geräte mit einem Zehntel der genannten Größe konstruiert werden. Diese könnten u.a. dazu verwendet werden, um ein Netz von Elektroden zu schaffen, mit dem sich die Gehirne von Versuchstieren auf eine Weise untersuchen lassen, die derzeit nicht möglich ist.

Ebenfalls im Oktober 2014 präsentiert der Designer Yu-Sheng Chen aus Taiwan das Konzept einer schallschluckenden Seitenwand für stark befahrene Straßen und Autobahnen.

Im Gegensatz zu den bislang nur schalldämmenden Versionen soll der Noise Power genannte Entwurf die Schallenergie in nutzbares Licht umwandeln. Dabei wird die durch akustische Mikrovibrationen erzeugte Energie mittels einer empfindlichen Membran an einen Generator weitergegeben, der wiederum den Strom für Niederspannungs-LEDs zur Verfügung stellt.

Das Ergebnis ist ein groß angelegtes System, das nicht nur die Lärmbelastung verringert, sondern auch eine Sicherheitsbeleuchtung bietet, die durch die Fahrzeuge selbst geschaffen wird, die sie benötigen.

Im September 2015 berichten die Blogs über eine neu veröffentlichte Patentanmeldung der Firma Boeing Co. (US-Nr. 20150260171, angemeldet 2014), bei der es darum geht, auf Flughäfen den Lärm der bis zu 140 dB lauten Düsentriebwerke als bislang brach liegende Energieressource zu nutzen.

Mit dem Verfahren, als dessen Erfinder der Mitarbeiter Chin H. Toh genannt wird, soll die akustische Energie, die Flugzeugen bei Start und Landung erzeugen, nutzbar gemacht und in Strom verwandelt werden. Hierfür sollen entlang den Rändern der Landebahnen Tausende sogenannter Acoustic Wave Collectors installiert werden, ähnlich den gegenwärtigen Beleuchtungssystemen.

Diese Geräte würden das Dröhnen der Triebwerke – d.h. die Schwingungen – sammeln und konzentrieren. Anschließend wird diese Schwingungsenergie in einen Luftstrom umgewandelt, der seinerseits eine Strom erzeugende Turbine antreibt. Wie hoch die Energieausbeute aus dem ,um die Ecke gedachten’ System sein soll, wird nicht gesagt. Es ist später auch nichts mehr darüber zu hören.

Wissenschaftler der Yale University um Prof. Peter Rakich berichten im Juni 2016, daß sie mit Hilfe eines neu entwickelten Wellenleiters ein Verfahren entwickelt haben, mit dem sich die Leistung von Laserlicht auf einem Silizium-Chip deutlich erhöhen läßt, indem dieser mit Schallwellen bestrahlt wird.

Das neue Gerät nutzt, was als Brillouin-Verstärkung bekannt ist, bei welcher Laserlicht in ein Ende des Wellenleiters in die entgegengesetzte Richtung des ankommenden Lichtsignals ,gepumpt’ wird. Dies erzeugt Schallwellen als akustische Phononen (Schwingungsbewegungsenergie, in der die Moleküle gleichförmig auf einer einzigen Frequenz oszillieren). Die Schallwellen streuen dann mechanisch das gepumpte Laserlicht, wodurch sie dem ankommenden Lichtsignal erlauben, die Emission von so viel mehr Photonen zu stimulieren, daß eine überwältigende Flut von eingehenden Photonen erzeugt wird.

Dieser fortgesetzte hohe Durchsatz von Photonen wird dann durch die Schallsignale aufrechterhalten, welche die Frequenzinformation nach vorne bis zum Ende des Wellenleiters treiben, wo sie als ein stark amplifiziertes Lichtsignal emittiert werden. Die Fähigkeit, sowohl Licht als auch Schall im Silizium zu kombinieren, ermöglicht es, Informationen auf neue Weise zu steuern und zu verarbeiten, die sonst nicht möglich wäre.

Da eine praktikable und effektive Verstärkung von Lichtsignalen direkt auf einem Siliziumchip schon seit vielen Jahren gesucht wird, glauben die von der DARPA in einem Fünf-Jahres-Programm unterstützten Forscher, daß ihr neues Gerät praktische Anwendungen in kommerziellen Technologien haben könnte, einschließlich einer effizienteren Glasfaser-Kommunikation und einer besseren Datensignalverarbeitung.

Forscher einer von Peer Fischer geleiteten Gruppe am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben Berichten vom Februar 2017 zufolge ein völlig neues Antriebsprinzip für Mikroroboter entwickelt, bei dem Luftblasen, die durch Ultraschall in Schwingung versetzt werden, den Vortrieb erzeugen.

Der Ultraschallantrieb besteht aus flexiblen zylindrischen Kammern entlang eines Kunststoffstreifens, in denen Gas-Mikroblasen eingeschlossen sind. Ultraschall, der von außen zugeführt wird, läßt die Gasblasen zum Schwingen bringen, so daß sie sich periodisch ausdehnen und zusammenziehen. Da sich die pulsierenden Blasen in Kammern befinden, die zu einer Seite hin offen sind, dehnen sie sich nur durch diese Öffnung aus und üben dabei auf die gegenüberliegende Kammerwand eine Kraft aus.

Da es von der Größe der Bläschen abhängt, durch welche Schallwellenfrequenz sie sich zum Schwingen bringen lassen - je größer die Blasen, desto kleiner die entsprechende Resonanzfrequenz -, nutzen die Forscher diesen Zusammenhang, um das Gerät rotieren zu lassen. Dazu werden auf den beiden Hälften von vier langen, der Länge nach geteilten Quaderflächen Blasen unterschiedlicher Größe plaziert.

In einer Flüssigkeit werden dann mit zwei verschiedene Schallfrequenzen jeweils die Luftbläschen einer bestimmten Größe zum Schwingen gebracht, was Schubkräfte ausschließlich an einer Hälfte der Quaderflächen erzeugt, so daß der Quader mit seinen jeweils 5 mm² großen Längsflächen um sich selbst rotiert, wobei er bis zu 1.000 U/m erreicht. Die Antriebskraft des Roboters ist damit zwei bis drei Größenordnungen stärker als die von natürlichen Mikroorganismen wie Bakterien oder Algen.

Die Variation der Blasengröße ermöglicht es, den Minischwimmer gezielt in unterschiedliche Richtungen zu steuern, außerdem kann er während des Schwimmens Ladung transportieren. Ein weiterer Vorteil des neuen Antriebsprinzips ist, daß sich auch geometrisch kompliziert gebaute Miniroboter mit den hauchdünnen Kunststoffstreifen samt Kammern für die Bläschen beschichten lassen. Darüber hinaus eignet sich die Anwendung von Ultraschall auch für optisch undurchdringliche Medien wie etwa Blut. Mit Tests in echten biologischen Medien soll nun überprüft werden, ob das neue Antriebsprinzip auch in der Praxis einsetzbar ist.

Im Februar 2020 folgt eine weitere Forschungsarbeit über den akustisch angetriebenen Roboter des MPI-IS, die unter dem Titel ,Acoustically powered surface-slipping mobile microrobots’ im Netz einsehbar ist. Hier erklären die Wissenschaftler, zu denen auch Prof. Metin Sitti gehört, der uns bereits bei den magnetischen Antrieben begegnet ist, wie sie die Lenkfähigkeiten des Roboters verfeinert und gleichzeitig die Betriebszeit auf mehrere Stunden erhöht haben.

Konkret wird über einen aus Polymer 3D-gedruckten bolzenförmigen Mikroroboter mit einem Durchmesser von nur 25 µm berichtet, der mit einem runden Hohlraum und einer kleinen röhrenförmigen Öffnung ausgestattet ist. Ist der Roboter umgeben von Flüssigkeit, kapselt er eine Luftblase ein, die pulsiert und die Flüssigkeit im Inneren der röhrenförmigen Öffnung in Richtung Ausgang drückt, sobald sie Ultraschallwellen von etwa 330 kHz ausgesetzt wird. Die Bewegung der Flüssigkeit schiebt den Mikroroboter dann mit einer noch nie erreichten Geschwindigkeit von bis zu 90 Körperlängen pro Sekunde vorwärts.

Zusätzlich wird der Roboter mit einer kleinen Flosse versehen, die die Schwimmrichtung vorgibt. Außerdem wird auf die Spitze des Roboters eine magnetische Nanofilmschicht aufgetragen, so daß sich mit Hilfe externer Magnetfelder die Fahrtrichtung nach links oder rechts bzw. oben oder unten ändern läßt.

Wie im August 2019 gemeldet wird, entwickelt ein Team um Prof. Fadel Adib und Junsu Jang am Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein System, das kontinuierlich Informationen über den Zustand der Ozeane sammeln kann, indem ein Netz aus miteinander verbundenen Sensoren Daten vom Meeresboden überträgt - ohne hierzu regelmäßig aufwendige Batteriewechsel zu erfordern, wie es bei den bisherigen Umsetzungen der Fall ist. Das auf der aktuellen SIGCOMM-Konferenz vorgestellte Konzept wird mit dem Preis für den besten Beitrag ausgezeichnet.

Das neue System besteht aus zwei Elementen: dem batterielosen Sensor am Meeresboden sowie dem Sender/Empfänger an der Oberfläche, der auf Schiffen oder verankerten Bojen installiert ist, wo die Batterien leichter zu ersetzen sind, oder an der Küste positioniert und an einer Steckdosen angeschlossen ist. Um den Sensor mit Energie zu versorgen, schickt der Sender in regelmäßigen Abständen eine Schallwelle durch das Wasser hinab. Diese Welle versetzt das piezoelektrische Material im Sensor in Schwingung, wodurch ein schwacher elektrischer Strom erzeugt wird, den der Sensor, um ein modifiziertes akustisches Signal zurück zum Empfänger zu reflektieren.

Dieses Signal besteht aus akustischen Wellen und Lücken zwischen ihnen, in denen keine Welle reflektiert wird. Da der Empfänger die Wellen und Lücken als 1 und 0 interpretiert, ist der Sensor in der Lage, ozeanografische Daten in Form eines Binärcodes zu übertragen. Bei Tests im Wassertank überträgt das Piezo-Acoustic Backscatter genannte System erfolgreich 3 Kilobit pro Sekunde Daten über den Wasserdruck und die Wassertemperatur, und zwar von zwei Sensoren gleichzeitig und bei in einer Entfernung von 10 m zwischen Sensor und Empfänger.

Als Nächstes soll gezeigt werden, daß das System über noch größere Entfernungen funktioniert und mit mehreren Sensoren gleichzeitig kommunizieren kann. Zudem will man testen, ob es auch Ton und Bilder mit geringer Auflösung übertragen kann. In Zukunft könnten entsprechende Geräte, die ohne Batterie kommunizieren, auch in Seen oder Meeren auf anderen Planeten oder Monden wie dem Titan plaziert werden, um dort eine längerfristige Überwachung zu ermöglichen, als dies durch gelegentliche Besuche von Raumsonden möglich wäre. Die Studie mit dem Titel ,Underwater Backscatter Networking’ ist im Netz einsehbar - und die Forschung erfolgt mit Unterstützung des Office of Naval Research.

Im November 2020 erscheint - ebenfalls offen einsehbar - die Arbeit ,Underwater Backscatter Localization: Toward a Battery-Free Underwater GPS’. Diesmal berichtet das Team um Adib über die Entwicklung eines Underwater Backscatter Localization (UBL) genannten Systems, das wie ein Unterwasser-GPS funktioniert und auf der gleichen batterielosen Technologie basiert, durch Reflexion modulierter Audiosignale binäre Impulse zu erzeugen.

Im Februar 2020 berichten Wissenschaftler der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien über ihre Entwicklung eines winzigen implantierbaren Geräts, das drahtlos mit Ultraschall durch die Haut aufgeladen werden kann (,Ultrasound-Driven Two-Dimensional Ti₃C₂T_x MXene Hydrogel Generator’). Das System des Teams um Husam N. Alshareef basiert auf einem neuartigen biokompatiblen Hydrogel, das viel Wasser enthält und sich dadurch sicher mit dem Körper dehnt und biegt und auch Strom leitet.

Letztere Eigenschaft ist das Ergebnis einer neuen Rezeptur, bei der Polyvinylalkohol mit MXene-Nanoflocken vermischt wird. Das graphenähnliche MXene, eine zweidimensionalenSchicht aus Übergangsmetallkarbiden, -nitriden oder -karbonitriden, wird bereits bei der Entwicklung anderer neuen Technologien eingesetzt, darunter sprühbaren Antennen, künstlichen Muskeln für Roboter und Batteriekomponenten.

Die Beimischung von MXene zu dem Hydrogel führt zu einem M-Gel (für MXene-hydrogel) genannten Material, das unter Druck einen elektrischen Strom erzeugt, der Ionen dazu bringt, durch das Wasser im Inneren zu fließen. Dies funktioniert auch unter dem Einfluß des Drucks von Ultraschallwellen, ein Effekt, der als ,Streaming Vibration Potential’ bekannt ist. Im Experiment wird das Gerät mehrere Zentimeter tief in ein Stück Rindfleisch eingepflanzt und schnell aufgeladen, wozu verschiedene Ultraschallgeräte wie Spitzen und Sonden eingesetzt werden, die in Forschungslabors und Krankenhäusern im Einsatz sind.

 

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