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.

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 o.e. Schall-Sandwich der Sungkyunkwan University beziehen –, ist die nach außen gewandte Seite als faszinierende OLED-Lichtanzeige gestaltet, die sich ausgesprochen 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.

Was für Rockfestival angebracht ist, denn je mehr Schalldruck, desto mehr Strom erzeugt das Leibchen. Und erst wenn es so richtig laut wird, kann der Akku auch ordentlich aufgeladen werden. Den Entwicklern zufolge soll aber schon ein Schalldruck von 80 Dezibel 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.

In der Teilchenphysik wird mit Spin-Strom ein Strom von Spins bezeichnet, 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 man sie möglicherweise verlustfrei übertragen kann. Es erfolgen daher gegenwärtig große Forschungsanstrengungen, Spinströme zu erzeugen und zu detektieren und so für Anwendungen in der Spintronik nutzbar zu machen, einer neuen Form von 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 nehmen sie ein isolierendes, nichtmagnetisches Substrat mit speziellen aufgebrachten Doppellagen-Streifen aus einer Nickel-Eisen-Legierung und Platin und heizen es an einer Seite auf, 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.

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, inkl. Batterien, Solarzellen und Computern finden.

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 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.

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, was um einige Potenzen mehr ist.

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.

Interessanter weise 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 (Dezibel). Wie erwartet treten sie 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 über eine winzige eingebaute Funkantenne über die Ergebnisse zu berichten.

Ultraschall wird gewählt, weil er bereits in vielen Anwendungen sicher verwendet wird und den nur einen Millimeter oder noch weniger großen 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 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, als bislang brach liegende Energieressource auf Flughäfen den Lärm der bis zu 140 dB lauten Düsentriebwerke 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 System sein soll, wird nicht gesagt.

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 amplifizierte 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.

Zum Thema Ultraschall siehe auch unter piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte. Akustische Wärmemotoren werden im Absatz Wärme behandelt.

TriboelektrizitÄt

Siehe unter Elektrostatik.

 

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