TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Druck

Im Rahmen eines Semesterprojekts entwickeln die Studenten Ralf Kittmann, Jonathan Herrle und Josef Niedermeier an der Kunsthochschule Berlin-Weißensee im Wintersemester 2008/2009 eine neue Lösung für das Problem undichter Wasserleitungen.

Ein autonomer Wartungsroboter namens tubeBot, der speziell für den Einsatz im Leitungsnetz städtischer Trinkwassersysteme konzipiert ist, kann durch Scannen einer Rohrleitung Defekte und Brüche in unterirdischen Wasserleitungen erkennen und die Daten an einen entfernten Ort senden. Durch genaue Lokalisation, wo sich das Leck befindet, kann die Reparatur erfolgen, indem die kleinstmögliche Fläche aufgegraben wird.

Dank seines intelligenten Funktionskozepts, welches den stets vorhandenen Druck in den Leitungen zur Stromerzeugung nutzt, kommt der tubeBot ohne zusätzliche Energieversorgung aus. Dabei verwendet er Turbinen an jedem Ende, um sich fortzubewegen. Die „Koordination der radialen und axialen Expander erlaubt eine wurmartige Bewegung durch das Rohr“, wie es nicht ganz nachvollziehbar in der Beschreibungin der Beschreibung heißt. Eine zusätzliche Energie ist nicht erforderlich. Bis die TubeBots auch in kleinere Rohre passen, um dann auf den Markt gebracht zu werden, besteht allerdings noch erheblicher Forschungsbedarf.

In einer Meldung vom April 2010 wird berichtet, daß im Rahmen des Barcelona Knowledge Campus (BKC) zwei Teams, eines der Universität Barcelona (UB) und das andere von der Universitat Politécnica de Catalunya (UPC), gemeinsam mit Forschern der deutschen Universität Duisburg-Essen einen neuen Feststoff entwickeln haben, der unter hydrostatischem Druck einen kalorischen Effekt erzeugt (Festkörper-barokalorischer Effekt).

Die Erforschung von Materialien, die nahe der Raumtemperatur große kalorische Effekte aufweisen, ist besonders für die Entwicklung neuer Kühlsysteme interessant, wo bislang magnetokalorische Materialien als die die erfolgversprechendsten Kandidaten galten, deren Temperatur sich unter dem Einfluß eines externen magnetischen Feldes ändert (s.d.).

Die Professoren Lluís Mañosa und Antoni Planes und ihre Kollegen zeigen in der neuen Studie, wie die Anwendung eines moderaten hydrostatischen Drucks auf eine Nickel-Mangan-Indium-Legierung (Ni-Mn-In) Resultate produziert, die mit denen vergleichbar sind, die von den wirksamsten magnetokalorischen Materialien erreicht werden. Zudem soll diese Art von Material mit nur geringen Druckschwankungen viel größere kalorische Effekte verursachen, die es für Haushaltskühlanlagen ideal macht.

Die Wissenschaft hatte den magnetokalorischen Effekt schon vor einiger Zeit verstanden, der dann auch umfangreich bei Arbeiten verwendet wurde, die extrem niedrige Temperatur erfordern. Materialien, die einen großen magnetokalorischen Effekt nahe der Raumtemperatur erzeugen (giant magnetocaloric effect), wurden jedoch erst in den 1990er Jahren entdeckt.

Der inverse magnetokalorische Effekt, bei dem die Temperatur einer Ni-Mn-Legierung in Reaktion auf ein externes Magnetfeld abnimmt, anstatt zuzunehmen, wird erstmals im Jahr 2005 in einem Artikel vorstellt – im Vorfeld der entsprechenden Doktorarbeit von Xavier Moya, die 2009 den Ramon Margalef Preis des UB-Kuratoriums verliehen bekommt.

Hier wird das Magnetfeld mit dem Ausüben von hydrostatischem Druck kombiniert, um den kalorischen Effekt zu erzeugen, der mit einer Reihe von Parametern moduliert werden kann, um die Temperatur zu steuern. Die abgebildete schematische Darstellung zeigt ein Kühlsystem auf der Grundlage der Kompression eines festen Materials: Während der Dekompression erfährt der Feststoff einem Phasenübergang, der seine Temperatur senkt. Der kalte Feststoff absorbiert die Wärme, um den Kühlschrank zu kühlen. In der nächsten Stufe wird der Feststoff wieder komprimiert, um in seine ursprüngliche Phase zurückkehren, wobei sich seine Temperatur erhöht. Am Schluß gibt der Feststoff die überschüssige Wärme in die Atmosphäre ab.

Das Team veröffentlicht im Dezember 2011 einen weiteren Forschungsbericht über die Identifizierung eines neuen Materials, das bei Raumtemperatur einen inversen barokalorischen Effekt aufweist, was bedeutet, daß es sich im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien abkühlt, wenn Druck ausgeübt wird. An dieser Studie ist auch die Indian Association for the Cultivation of Science (IACS) beteiligt.

Das während der Studie entwickelte Material mit dem entgegengesetzten Verhalten zu den meisten anderen Objekten, die sich erwärmen, wenn sie komprimiert werden, ist eine intermetallische Verbindung der magnetokalorischen Metalle Lanthan, Eisen, Silizium und Kobalt (La-Fe-Si-Co), die ihre Temperatur ändert, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird. Das Material zeigt aber auch eine wesentliche Änderung bei moderaten Drücken: Seine Temperatur sinkt um 1°C bei jedem weiteren 1 kbar Druck.

Die Tatsache, daß es auf zwei Arten externer Einflüsse reagiert, Magnetfelder und Druck, kann zudem die Gestaltung von Geräten ermöglichen, die diese Einflüsse gleichzeitig anwenden, um eine höhere Leistung zu erzielen. Außerdem liegt nahe, daß Materialien mit diesem Verhalten auch in neuartigen Energiegewinnungssystemen verwendet werden können.

Im März 2011 berichten die Fachblogs über die Entwicklung eines internationalen Teams von Forschern der University of California, Berkeley, der Dublin City University in Irland und der Universidad de Valparaíso in Chile, die an einem eigenständigen, selbstversorgenden Mikrofluidik-Chip arbeiten, der Krankheiten wie HIV oder Tuberkulose innerhalb weniger Minuten diagnostizieren könnte. Das Gerät ist in der Lage, Vollblutproben ohne die Verwendung von externen Leitungen oder zusätzlicher Komponenten zu verarbeiten.

Das von dem Team um Prof. Luke Lee und dem Postdoktoranden Ivan Dimov entwickelte energieautarke Gerät mit dem schönen Namen SIMBAS (Self-powered Integrated Microfluidic Blood Analysis System), könnte einen wichtigen Schritt für die globale Gesundheitsdiagnostik darstellen. Durch die erreichte Reduzierung der Komplexität des Chips und der verwendeten Kunststoffkomponenten kann das Gerät zu geringen Kosten in großen Stückzahlen gefertigt werden.

Der abgebildete Chip mit den Maßen 2,5 x 5,0 cm kann gleichzeitig fünf separate Vollblut-Proben verarbeiten, indem er das Plasma von den Blutzellen trennt und die Anwesenheit von Biotin (Vitamin B7) erfaßt.

Die SIMBAS-Chip besitzen strukturierte Furchen unter mikrofluidischen Kanälen, welche die Breite eines menschlichen Haares haben. Wenn Vollblut auf die Einlässe getropft wird, setzen sich mehr als 99 % der relativ schweren roten und weißen Blutkörperchen in den Furchen ab und trennen sich von dem klaren Blutplasma. Diese Vorbereitungsarbeit wird mit Hilfe der Schwerkraft durchgeführt, sodaß die Proben ohne die Notwendigkeit einer externen Stromversorgung aufgenommen und in den Chip geleitet werden.

Durch den Chip hindurch bewegt sich das Fluid in einem Prozeß, der Entgasen-betriebene Strömung (degas-driven flow) genannt wird. Hierfür werden die Luftmoleküle im Inneren der porösen Polymervorrichtung entfernt, indem das Gerät in eine vakuumdichte Verpackung kommt. Wird die Dichtung gebrochen, ist die Vorrichtung den Atmosphärenbedingungen ausgesetzt, wobei das Material Luftmoleküle reabsorbiert. Dies erzeugt eine Druckdifferenz, welche die Blutfluidströmung in dem Chip antreibt.

Im April 2014 veröffentlichen Wissenschaftler um Prof. Uzi Landman am Georgia Institute of Technology einen Bericht über die kombinierte theoretische und experimentelle Untersuchung von selbstorganisierenden, auf Silber basierenden Strukturen, die als Übergitter (superlattices) bekannt sind. Es zeigt sich, daß diese zu einem ungewöhnlichen und unerwarteten Verhalten neigen: Die Anordnungen der molekularen, zahnradartigen Maschinen beginnen sich im Einklang zu drehen, wenn Druck auf sie ausgeübt wird.

Das System wird experimentell auch von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Terry Bigioni an der Universität von Toledo untersucht.

Die Studien zeigen, daß diese Übergitterstrukturen, die sich selbstorganisierend aus kleineren Clustern von Silbernanopartikeln und organischen Schutzmolekülen bilden, Schichten mit Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Komponenten formen, die als ,Scharniere, dienen um die Drehung zu erleichtern. Die Cluster mit Kernen von 44 Silberatomen werden durch 30 Ligandenmoleküle aus Mercaptobenzoesäure geschützt, die durch Schwefelatome an das Silber gebunden sind.

Die Bewegung der ,Zahnräder’ beruht wiederum auf einer anderen ungewöhnlichen Eigenschaft des Materials: Ein erhöhter Druck auf das Übergitter macht es weicht, sodaß die anschließende Kompression – nachdem die Struktur um etwa 6 % ihres Volumens komprimiert wurde – mit deutlich weniger Kraft durchgeführt werden kann.

Interessant ist, wie Landman den entdeckten Schwellenwert beschreibt: „Wenn wir auf dieses Material drücken, wird es weicher und weicher – bis es plötzlich eine dramatische Veränderung erfährt. Bei Betrachtung der Ausrichtung der mikroskopischen Struktur des Kristalls im Bereich dieses Übergangs ist zu erkennen, daß etwas sehr ungewöhnliche passiert. Die Strukturen beginnen mit Bezug zueinander zu drehen, wodurch sie eine molekulare Maschine mit einigen der kleinsten Bewegungselementen bilden, die je beobachtet wurden.“

Die Zahnräder drehen sich um 23° Grad, und kehren in ihre ursprüngliche Position zurück, wenn der Druck aufgehoben wird. Dabei bewegen sich die Getriebe in abwechselnden Schichten in entgegengesetzten Richtungen. Materialien, die solche zahnradartigen Nanopartikel enthalten – jeweils aus knapp 500 Atomen zusammengesetzt – könnten für Schalter, Sensoren und sogar für die Energieabsorption in molekularem Maßstab nützlich sein.

Die Forschung wird vom Office of Scientific Research der U.S. Air Force und dem Office of Basic Energy Sciences des Department of Energy unterstützt.

PiezoelektrizitÄt

Piezoelektrizität (auch Piezoeffekt oder piezoelektrischer Effekt, von griech.: piézin = pressen, drücken) bedeutet die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn diese elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Heute werden für Piezoelemente meist PZT-Keramiken (Blei-Zirkonat-Titanat) benutzt.

Entdeckt wird der Piezoeffekt im Jahre 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie. Bei Versuchen mit Turmalinkristallen finden sie heraus, daß bei einer mechanischen Verformung der Kristalle auf ihrer Oberfläche elektrische Ladungen entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Die Entdeckung wird mit einen Prix Gaston Planté der Académie des Sciences ausgezeichnet - doch viel anfangen kann man mit der Innovation seinerzeit nicht.

Dies ändert sich erst mit Erfindung der Quarzuhr, die auf der Entdeckung der Curie-Brüder beruht, durch den amerikanischen Uhrmacher Warren Alvin Marrison im Jahr 1929. Daß hierarchisch organisierte natürliche Materialien wie Knochen piezoelektrische Eigenschaften aufweisen können, beschreiben C. A. L. Bassett und R. O.  Becker in Jahr 1962 (,Generation of electric potentials by bone in response to mechanical stress’).

Fast jedermann kennt den piezoelektrischen Effekt, wie er bei elektronischen Feuerzeugen oder Anzündern genutzt wird: Durch die Ausübung von Druck auf einen Kristall wird eine elektrische Entladung erzeugt.

Weitere Anwendungsbeispiele sind Pickups auf akustischen Gitarren, Ultraschallwandler und Autofokus-Motoren in Spiegelreflexkameras.

Zudem basiert eine der ersten MEH-Umsetzungen auf dem piezoelektrischen Effekt: der Laufschuh von Joseph Paradiso am MIT im Jahr 1998 (s.u. Muskelkraft).

Die Piezoelektrizität bildet dementsprechend einen der wichtigsten physikalischen Effekte, die im Bereich des Micro Energyy Harvesting genutzt werden. Wir werden dieser Technologie noch bei verschiedenen spezifischen Umsetzungen begegnen (s.u.), ebenso wird sie zunehmend im Bereich der Nutzung menschlicher Muskelkraft eingesetzt.

Um die Informationen abzurunden und in einen breiteren Kontext zu stellen, werde ich in der Chronologie aber auch verschiedene andere Einsatzbereich piezoelektrischer Vorrichtungen erwähnen, die nur indirekt oder auch gar nicht mit der Energiegewinnung zu tun haben.

Einer der frühesten piezoelektrischen Energiewandler für elektronische Implantate wird bereits 1967  angemeldet – interessanterweise vom Gesundheits-, Bildungs- und Wohlfahrtsministerium der Vereinigten Staaten (HEW), wobei als Erfinder ein KO. H. Wen angegeben wird (US-Nr. 3.456.134, erteilt 1969). Umgesetzt wird die Innovation jedoch nicht.

Zu den ersten, die sich auf praktische Art mit dem Feld der sogenannten Flexoelectricity beschäftigen, gehört das japanische Team um Prof. Mikio Umeda vom Niigata Polytechnic College in Shibata-shi, das ab 1996 daran arbeitet, entsprechende Wandler zu entwickeln und schon 1997 Wirkungsgrade um 35 % ereicht.

Die Forscher geben auch in den Folgejahren regelmäßig neue Berichte über ihre Arbeiten heraus. Ein wesentlich Motiv für die Arbeiten auf diesem Sektor ist, daß piezoelektrische Generatoren keine anfängliche Ladungsquelle benötigen, wie es bei den elektrostatischen Wandlern der Fall ist.

Im Zuge seiner Doktorarbeit an der University of Southampton in England im Jahr 2001 soll der spätere Prof. Peter Glynne-Jones den ersten piezoelektrischen Schwingungsenergie-Ernter der Welt entwickelt haben, der bei einer Schwingung von 80 Hz etwa 3 μW erzeugt.

Seine Entwürfe führen 2004 zur Gründung des Spin-off-Unternehmens Perpetuum, das sich schnell zum Weltmarktführer entwickelt (s.u. Vibration).

An der Universität forscht derweil Steve Beeby weiter, der im August 2010 über den Ansatz berichtet, geeignetes piezoelektrisches Material direkt in die alltägliche Kleidung zu integrieren, um damit Strom für MP3-Player und andere Elektronikgeräte zu liefern.

Das neue Projekt zielt darauf ab, das Material als Dünnfilm direkt auf Stoffe zu drucken, wodurch auch großflächige Anwendung denkbar werden, die relativ viel Strom erzeugen. So könnte der Film beispielsweise auf Teppichen gedruckt werden, was Personen ermöglichen würde, Energie zu erzeugen, wenn sie im Haus oder Büro umher gehen.

Die zugrunde liegende Sensortechnologie, die das Energy-Harvesting-Verfahren möglich macht, wird Beeby und seinem Team durch das EU-geförderte Microflex-Projekt entwickelt, das 2012 beendet wird. Der Forscher hofft nun, daß die Technologie bis zum Oktober 2015 marktreif ist, wenn auch das aktuelle, das vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) geförderte Projekt ausläuft. Dies ließ sich bislang jedoch noch nicht bestätigen.

Eines der ersten Konzepte für eine großflächige Umsetzung stammt von Yusuke Obuchi, der seinen Wave Garden im Jahr 2002 als Master-Arbeit an der Princeton University entwickelt und anschließend auf diversen Ausstellung zeigt.

Der schwimmende Wellengarten vor der kalifornischen Küste ist der Prototyp einer Doppelfunktion – als Kraftwerk und öffentlicher Park, der mit den Ozeanwellen und den Zyklen des Energiebedarfs oszilliert. Als gewaltige piezoelektrische Membran bildet der Garten einen flexiblen elektrischen Generator, der seine Energie aus den Bewegungen der Wellen ableitet.

Ob die utopische Idee tatsächlich in der Lage ist, wie von Obuchi erhofft, das Kernkraftwerk Diablo Canyon zu ersetzen, wenn dessen 40-jährige Lizenz im Jahr 2026 ausläuft, ist allerdings fraglich. Eher denkbar ist der Vorschlag, daß der Garten von Montag bis Freitag Energie erzeugt, sich an den Wochenenden hingegen von einem Raum der Produktion in einen öffentlichen Raum der Erholung verwandelt.

Im Jahr 2003 erhält die 1998 gegründete Firma Continuum Photonics Inc. in Billerica, Massacusetts, die sich eigentlich mit photonischen Hochleistungs-Subsystemen und Komponenten beschäftigt, das Patent für einen kurbelbetriebenen piezoelektronischen Generator (US-Nr. 6.655.035, angemeldet 2001). Als Erfinder werden Kamyar Ghandi, Nesbitt W. Hagood IV und Aaron A. Bent genannt.

Nach zwei Finanzierungsrunden, deren letzte im Juli 2002 mit über 14 Mio. $ abgeschlossen werden kann, wird die Firma im September 2005 von der Polatis Ltd. aus Cambridge, Großbritannien, übernommen. Das verschmolzene Unternehmen wird für seine optischen Schalter bekannt, deren Kern die patentierte DirectLight-Strahlsteuerungstechnologie, welche die Verbindungen mittels kompakter Piezoaktoren herstellt, um gebündelte Lichtstrahlen von gegenüberliegenden Arrays aus Eingangs- und Ausgangsfasern mit minimalen Verlust, Verzerrungen oder Störungen zwischen den Pfaden  auszurichten.

Im Mai 2016 wird die Firma Polatis wiederum von der Huber+Suhner AG mit Hauptsitz im Schweizer Herisau übernommen, einem Hersteller hochwertiger elektrischer und optischer Verbindungslösungen. Über den piezoelektronischen Generator ist jedoch nichts mehr zu vernehmen.

Aus dem Jahr 2003 werden Versuche von Prof. Shad Roundy et al. an der University of California, Berkeley, bekannt, wo bei einer Frequenz von 100 Hz eine Leistung von 70 μW erreicht wird – sowie aus dem Jahr2004 die Arbeiten von Sang-Gook Kim und Rajendra Sood am MIT, die bei ihren Experimenten allerdings nur 1 μW erzielen.

Ebenfalls im Jahr 2004 berichtet ein Wissenschaftlerteam um Shashank Priya von der University of Texas in Arlington über die Entwicklung einer piezoelektrischen Miniatur-Windmühle, die zur Stromversorgung eines Sensoren-Funknetzwerks in abgelegenen Gegenden zum Einsatz kommen soll.

Die Energieumsetzung des nur 10 cm durchmessenden Rotors erfolgt durch das Verbiegen einer Reihe von piezoelektrischen Kristallen mittels einem Nockenwellengetriebe. Schon bei einer relativ geringen Windgeschwindigkeit von 16 km/h werden 7,5 mW erzeugt. Und während ein herkömmlicher Generator mit einer 10-cm-Turbine nur 1 % der zur Verfügung stehenden Windenergie direkt in Strom umwandeln kann, erreicht der piezoelektrische Generator bis zu 18 %.

Der funktionierende Prototyp besteht aus zwölf bimorphen Aktoren (60 × 20 × 0,5 mm) mit einer Vorspannung von 23,5 g, der bei normaler Windströmung und einer Schwingungsfrequenz von 6 Hz eine Leistung von 10,2 mW erzielt.

Das Patent ,Piezoelectric windmill apparatus’, das ein noch viel kleineres Gerät mit nur 0,5 cm pro Seite betrifft, dessen winzige Windfangbecher den Geräten von Meteorologen ähneln, mit denen diese die Windgeschwindigkeit messen, meldet Priya allerdings erst 2009 an (US-Nr. 8.294.336, erteilt 2012), nachdem er 2005 nur eine vorläufige Registrierung vorgenommen hatte.

Ende 2008 präsentiert ein weiteres Team des CEHMS ein sogenanntes ‚L-beam design’, das die Voltspannung gegenüber den bisherigen Entwicklungen mehr als verdoppelt. Das Team um den türkischen Entwickler Alper Erturk besteht aus Jamil Renno aus Saida im Libanon und Dan Inman aus Blacksburg, Virginia.

Auch hier wandeln piezoelektrische Materialien Vibrationen in Strom um, wobei der L-förmige Harvester allerdings nicht nur mehr Spannung erzeugt, sondern den Strom auch aus einer viel breiteren Palette von Schwingungsfrequenzen umwandeln kann. Finanziert wird die Entwicklung durch das Office of Scientific Research der U.S. Air Force.

Priya wiederum, der inzwischen das Center for Energy Harvesting Materials and Systems (CEHMS) an der Virginia Tech in Blacksburg leitet, das im Bereich der industrienahen Forschung mit der University of Texas in Dallas und der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover in Deutschland zusammenarbeitet, veröffentlicht 2012 zudem ein eBook mit dem Titel ,Lead-Free Piezoelectrics’, in welchem er einen umfassenden Überblick über die Grundlagen und Entwicklungen im Bereich der entsprechenden bleifreien Materialien und Produkte gibt.

Im November 2012 berichten die Blogs über einen weiteren Schritt des Teams um Priya, das diesmal ein integriertes Notfall-Ladegerät für Handys vorstellt, das Energie durch das Tippen auf der Tastatur, durch die Schallwellen der Stimme oder einfach durch Schütteln des Telefons erzeugt. Dabei experimentieren die Forscher mit dem piezoelektrischen Material Zinkoxid, um zu sehen, wie gut es Schwingungen und Druckwellen in Energie zur Versorgung des Handys umwandelt (über Zinkoxid-Nanodrähte berichte ich weiter unten separat).

Hierfür passen sie das Material dergestalt an, daß es durch Schallwellen von 100 Dezibel zum Schwingen gebracht wird – und dabei einen elektrischen Strom von etwa 50 mV erzeugt. Dies ist zwar nicht annähernd genug, um ein Telefon kontinuierlich zu versorgen, würde für eine Notsituation aber ausreichend sein. Im Notfall reicht es, das Handy für ein paar Minuten zu schütteln, um genug Energie für einen wichtigen Anruf zu bekommen.

Daneben präsentiert die Gruppe ein Mikro-Windturbinen-Ladegerät, das in einen wasserflaschenartigen Behälter paßt und bei Windgeschwindigkeiten von etwa 8 – 10 km/h eine Leistung von 1 W erzeugt. Über einen Standard-USB-Anschluß soll es ein Handy innerhalb von 45 - 90 Minuten aufladen. Bis zur Produktreife hat es die Innovation aber noch immer nicht geschafft

In einer Studie vom März 2013 wird eine weitere piezoelektrische Windturbine vorgestellt, die diesmal auf einem Savonius-Rotor basiert, der mit einer Scheibe verbunden ist, die an ihrer Peripherie mit mehreren Magneten besetzt ist. Ebenso haben auch die bimorphen Aktoren, welche für die elektromechanische Energieumwandlung zuständig sind, Magneten an der Spitze, die mit dem Magnetfeld der rotierenden Scheibe in Wechselwirkung treten und eine zyklische Durchbiegung erzeugen.

Weitere Details gibt es aber erst im Februar 2014 zu erfahren, als das Team um Priya über einen weiteren Horizontalachsen-Windturbinenrotor von 72 mm Durchmesser berichtet, der schon bei einer Windgeschwindigkeit von 3,84 km/h startet und bei 6,72 km/h eine elektrische Spitzenleistung von 450 µW erreicht.

 

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