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, s.d.).

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.

Ab 2006 arbeiten auch M. Marzencki et al. am Laboratoire TIMA in Grenoble an Piezo-Wandlern (2 mm², 2 μW bei 1,3 kHz).

Ebenfalls seit 2006 besteht das Unternehmen Advanced Cerametrics Inc. (ACI) in Lambertville, New Jersey, dessen Produktlinie aus piezoelektrischen Fasern und Verbundwerkstoffen in Textilien eingebettete Mikro-Energiewandler möglich machen sollen. Die patentierten PZT-Fasern sollen aus mechanischer Energie wie Vibration, Druck oder Biegen einen zehn Mal so großen Stromertrag ernten wie andere flexible piezoelektrische Materialien.

Erstes praktisches Einsatzgebiet der Technologie sind Tennisschläger und Skier der internationalen Sport-Firma HEAD. Hier werden durch die Umsetzung der geernteten Energie in Form einer aktiven Strukturkontrolle Erschütterungen gedämpft und die Stabilität gegenüber Verwindungen erhöht, wenn beispielsweise ein Ball auftrifft oder der Ski in eine Kurve fährt. Das Resultat sind im Fall der Tennisschläger um bis zu 15 % kräftigere Ballabschläge. Eine Würdigung der Technologie bildet die Auszeichnung ,Tennis Racket of the Year’ sowie mehrere Goldmedaillen bei der Olympiade 2008.

Im November 2010 erhält das Unternehmen einen Vertrag in Höhe von 1,2 Mio. $ von der Firma Picatinny Arsenal aus New Jersey, um deren Munitions-Lebensdauer-Überwachungssystem namens ,Remote Readiness Asset Prognostic/Diagnostic System’ (RRAPDS) über piezoelektrische Komposite mit Strom aus Schwingungen zu versorgen.

Im Februar 2007 erhält die Firma Invent GmbH aus Braunschweig den Preis ‚Neue Technologien für den Mittelstand’ für die Entwicklung piezokeramischer Wandler für Industrie und Forschung, die u.a. auch für das Energy Harvesting genutzt werden.

Die Produkte werden ab Mitte 2007 unter dem Namen DuraAct Flächenwandler (o. Patch Wandler; Patch Transducer) von der Firma PI Ceramic GmbH weltweit vertrieben, wobei eine typische Anwendung für die Aktuatoren auf Basis von multifunktionalen Materialien die Vibrationsdämpfung und die Formkontrolle ist. Hierfür werden die flachen Aktuatoren direkt auf den entsprechenden Bauteiloberflächen appliziert, wobei integrierte Sensoren Vibrationen oder Deformationen registrieren, so daß die Aktuatoren entsprechend gegensteuern können.

Im Juni 2007 gibt das belgische Forschungszentrum IMEC der Universität Leuven gemeinsam mit seinem holländischen Schwesterunternehmen IMEC-NL die Herstellung eines Vibrations-Ernters bekannt, bei dem die sogenannte ‚micromachining technology’ zum Einsatz kommt.

Der 0,2 cm² große piezoelektrische Mikrogenerator, dessen Entwicklung auf M. Renaud et al. zurückgeht, hat einen Output von 40 µW (bei 1,8 kHz) und soll als Energielieferant für drahtlose Sensoren dienen. Vom Aufbau her besteht er aus einer Platin-Elektrode, einer Schicht aus Bleizirkontitanat (PZT) sowie einer Aluminium-Elektrode. R. Elfrink et al. erzielen im Jahre 2008 bereits 60 µW bei 572 Hz. Die Marktreife soll in 5 Jahren erreicht werden.

Nur einen Monat später, im Juli 2007, gründet sich in Holland die Firma GreenPeak Technologies N.V. durch den Zusammenschluß von zwei Funktechnik-Unternehmen. Im Laufe der beiden Folgejahre gelingt es der Firma, ausreichende Investitionsmittel einzuwerben um verschiedene technische Umsetzungen bis zur Marktreife weiter entwickeln zu können, darunter auch drahtlose ‚ultra-low-power’-Kontroll- und Steuernetzwerke, batterielose Funkchips sowie eine Fernbedienung, die sich ihre Energie aus dem Druck auf die Tasten beschafft.

Das Modul Lime-CM-08 beispielsweise ist ein nur 5 cm² großes elektronisches Bauelement, das als alleinstehendes Kommunikationssystem fungiert und einen Transmitter/Receiver, eine Antenne und eine Mesh-Netzwerk Software mit niedrigem Energiebedarf auf einer einzigen Platine integriert. Die Software des Moduls kann konfiguriert werden, um die Energie unterschiedlicher Energieaufnahmegeräte zu verwalten. Das Modul wird zu einem Preis ab 21 $ von der MSC Vertriebs GmbH angeboten (Stand 2009).

Im Oktober 2007 meldet die Presse, daß australische Forscher um Adam Best daran arbeiten, Westen, Hemden und T-Shirts zu entwickeln, die Strom erzeugen wenn sich der Träger bewegt. Das Projekt der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) wird vom Verteidigungsministerium mit 4,4 Mio AU-$ finanziert, da der militärische Einsatz eine wichtige Rolle spielen soll.

Das Flexible Integrated Energy Device (FIED) besteht aus drei verschiedenen Schichten von Komponenten: zwei piezoelektrische Schulterpolster, mehrere Flächen von leitfähigem Stoff im Brust- und Bauchbereich als flexible Batterien, um die erzeugte Ladung zu speichern, sowie ein Gleichrichter nebst Leistungssteuerung, welche den Strom in eine nutzbare Form umwandeln. Die ersten Energie-Shirts sollen innerhalb von fünf Jahren entwickelt werden.

Doch auch acht Jahre später ist die Innovation noch immer nicht auf dem Markt. In einem Kommentar vom April 2015 wird dies damit erklärt, daß Best und sein Team bislang nicht ganz herausgefunden haben, wie sich die Lebensdauer der flexiblen Batterie maximieren läßt, da sich der Träger ja nicht ständig bewegen wird. Das FIED, das zwischenzeitlich in Form eines Rucksacks getestet wird, soll erst eine Akkulaufzeit erreichen, die der des iPhone gleicht, bevor die Tasche vermarktet wird.

Über die piezoelektrischen Platten des japanischen Unternehmens Soundpower Corp., die u.a. 2008 in Tokio zur Tretstromgewinnung eingesetzt werden, sowie über diverse ähnliche Systeme, die primär durch menschliche Bewegungen betrieben werden, berichte ich in verschiedenen Kapitelteilen der Muskelkraft (s.d.).

Im Jahr 2009 beginnt die Zusammenarbeit der beiden Energy-Harvesting-Unternehmen AdaptivEnergy LLC und GainSpan Corp., die einen gemeinsamen Entwicklungsvertrag mit der in Investitionsfirma In-Q-Tel unterzeichnen, einem strategischen Investmentunternehmen der CIA.

Die 1997 als PAR Technologies LLC in Hampton, Virginia, gegründete und im April 2007 umbenannte AdaptivEnergy bietet Energy-Harvesting-Lösungen, die eine robust laminierte Piezotechnologie nutzen, während die im September 2006 von ehemaligen Ingenieuren der Intel Corp. gegründete und in San Jose, Kalifornien, beheimatete GainSpan für ihre Drahtlos-Module mit extrem niedrigem Stromverbrauch bekannt ist.

Bei den neuen Entwicklungsvertrag geht es um die Nutzung von Vibrationsenergie unterhalb von 0,040 G_rms (root-mean-square acceleration). Dieser Wert wird normalerweise verwendet, um die Gesamtenergie einer bestimmten Zufallsvibration auszudrücken und wird als statistischer Wert im Maschinenbau für Konstruktions- und Analysezwecke genutzt. Um die WiFi-Sensorpunkte von GainSpan mit Energie zu versorgen, wird zudem die Thermo-Generator-Technologie des deutschen Unternehmens Micropelt GmbH integriert (s.u.).

Forscher der Cornell University, die sich von der Natur inspirieren lassen, versuchen, das Schwanken der Baumzweige zu imitieren und mit ihren im Labor entwickelten, flatternden Blättern Energie zu erzeugen. Die synthetischen Blätter des Piezo-Baumes, der im Oktober 2009 in den Blogs präsentiert wird, bestehen aus dem flexiblen piezoelektrischen Material Polyvinylidenfluorid (PVDF).

Der Prototyp verhält sich wie ein Baum in einer Brise, wobei die flexiblen Platten wie eine Fahne oder ein Blatt im Wind flattern. Die elektrische Energie wird dann in einem Kondensator gespeichert. Wegen des schwachen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von PVDF konnten die Forscher allerdings nur etwa 100 pW erzeugen. Eine 100-fache Erhöhung der Leistung gelingt dann aber, indem am Ende des Blattes entlang der Richtung des Luftstroms ein Stück Kunststoffolie befestigt wird.

Die Entdeckung eines neuen bleifreien piezoelektrischen Materials durch Forscher der University of California in Berkeley und dem Lawrence Berkeley Lab des U.S. Department of Energy (DOE) kommt im November 2009 in die Fachpresse. Die Wissenschaftler finden heraus, daß dünne Schichten von Wismut-Ferrit, einem anorganischen kristallinen Material, das magnetisch-elektrische Phänomene aufweist, auch einen piezoelektrischen Effekt erzeugt, wenn es einem starken und richtig fokussierten Druck ausgesetzt wird.

Durch die Beseitigung der Blei-Gefährdung könnte die Berkeley-Entdeckung zu einer vermehrten Anwendung piezoelektrischer Materialien führen, nicht nur in der Infrastruktur und in Gebäuden, sondern ebenso bei Verbraucherprodukten wie Schuhen oder T-Shirts.

Auch das Zeri Phone, ein Handy-Konzept des Industriedesigners Paul Frigout, das im Dezember 2009 ins Gespräch kommt, soll sich seine Energie selbständig beschaffen, und zwar durch ein thermoelektrisches sowie ein piezoelektrisches System.

Während der thermoelektrische Generator (s.u. Wärme) seinen Strom mittels Metalldrähten gewinnt, die in das Hüllengewebe eingearbeitet sind und die entstehenden Temperaturunterschied nutzt, wenn das Handy in der Tasche mitgeführt wird, sollen die ‚Härchen’ des piezoelektrischen Generators von winderzeugten Vibrationen dazu angeregt werden, ihren Strom zu produzieren. Eine Umsetzung ist bislang nicht erfolgt.

Ebenfalls im Dezember 2010 berichten die Blogs von einem vollständig autonomen Temperatursensor, dessen piezoelektrische Vorrichtung in der Lage ist, aus Schwingungen 85 µW Strom zu ernten, wodurch der Sensor alle 15 Sekunden Umweltdaten messen und drahtlos an eine Basisstation übertragen kann. Die Entwicklung des Holst Centre/IMEC ist deshalb signifikant, weil das Herstellungsverfahren unter Verwendung einer kostengünstigen vorgefertigten MEMS-Technologie durchgeführt wurde.

Anstelle von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) als piezoelektrisches Material wird hier Aluminiumnitrid verwendet, was einer besseren Kontrolle der Zusammensetzung und einer bis zu dreimal schnelleren Abscheidung zugute kommt. Durch Ändern der Abmessungen des Trägers, auf dem die Siliziummasse und das Aluminiumnitrid abgeschieden werden, kann die Resonanzfrequenz des Ernters für einen beliebigen Wert zwischen 150 Hz und 1.200 Hz angepaßt werden.

Die Forscher finden zudem heraus, daß eine Vakuum-verklebte Glasbabeckung auf Ober- und Unterseite der bearbeiteten Wafer die Leistung des Ernters gegenüber einer atmosphärischen Verpackung erheblich erhöht.

Im Januar 2010 zeigt das koreanische Unternehmen Fils Co. Ltd. auf der CES einen hauchdünnen, ultraflexiblen und durchsichtigen Lautsprecher aus piezoelektrischer Folie.

Der Sound Film bietet mit seinem Frequenzbereich von 200 – 25.000 Hz zwar nicht das Nonplusultra an Hörerlebnis, insbesondere aufgrund der fehlenden Bässe, läßt sich dafür aber problemlos in Regenschirme, Vorhänge, Kappen, Kapuzenpullis und viele andere Formen verarbeiten.

Und im Gegensatz zu so vielen anderen Innovationen gibt es verschiedene Produkte, die auf dem Sound Film basieren, inzwischen tatsächlich zu kaufen – sogar als Meterware (Stand 2016).

Eine dritte Publikation in diesem Monat stammt von der Princeton University, wo es Ingenieuren um Prof. Michael McAlpine gelungen ist, das bekannte Piezomaterial Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) in Silikon einzubetten und so eine Art Piezo-Gummi zu erzeugen.

PZT gilt als eines der effektivsten piezoelektrischen Materialien und kann bis zu 80 % der mechanischen in elektrische Energie umwandeln. Damit ist es hundert Mal effizienter als Quarz, hat allerdings den Nachteil, daß es als keramisches Material relativ steif und daher für flexible Materialien nicht geeignet ist.

Indem sie nur wenige Nanometer breite Streifen aus PZT in klare Schichten aus gummiartigem Silikon einbetten, gelingt den Forschern nun, dies zu beheben. Bei den neuartigen ,Piezo-Gummi-Chips’, welche die Effektivität des PZT mit der Flexibilität des Silikons kombinieren, reicht ein einfacher Druck, damit das Material elektrischen Strom erzeugt. Da das Material zudem skalierbar ist, können daraus immer größere Folien hergestellt werden.

Neben Anwendungen wie in Gummisohlen von Schuhen werden auch medizinische Einsatzzwecke ins Auge gefaßt, da die Silikon-Matrix biologisch verträglich ist. Das neue Material kann daher ohne Abstoßungseffekt in den Körper eingepflanzt werden, um dort dauerhaft medizinische Geräte mit Strom zu versorgen. So ließen sich Schrittmacher allein durch die Atembewegung des Brustkorbs betreiben.

Interessant ist auch die Zusammensetzung des von der United States Intelligence Community, einem Zusammenschluß der US-Bundes-Nachrichtendienste nationalen Sicherheitsbehörden, finanzierten Teams: neben McAlpine, seinem Kollegen Yi Qi und den Studenten Christine Lee und Noah Jafferis von der Princeton University sind noch Habib Ahmad vom California Institute of Technology sowie der Student Kenneth Lyons Jr. vom Morehouse College beteiligt.

Im März 2010 erscheint in den Blogs der Entwurf Stream, bei dem es sich um eine einfache Methode handelt, den Luftstrom vorbeifahrender Autos in Energie umzuwandeln. Dabei soll jedes der Elemente des Systems mit einer stabilen piezoelektrischen Folie beschichtet werden, die gestreckt wird, wenn sie sich bewegt.

Die Idee des in Polen geborenen und nach London nun in Kiel ansässigen Industriedesigners Lukas Franciskiewicz ist bislang aber nicht umgesetzt worden.

Etwas aAnders ist dies im Fall von Manfred Krause, einem Parketthandwerker aus München. Als dieser beim schwimmenden Verlegen von Parkett bemerkt, daß es eine gewisse Beweglichkeit im Boden gibt, kommt ihm die Idee, diese Bewegung in Energie umzuwandeln. Gemeinsam mit Ingenieuren der TU München um Prof. Norbert Schwesinger baut Krause ein Modell seines Fußbodens, der aus jeder kleinen Bewegung mittels des Piezoeffekts Energie erzeugt.

Die dafür genutzten Piezogeneratoren bestehen aus je zwei Schichten Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF) und handelsüblicher Alufolie, die abwechselnd übereinander gelegt und zu flachen, länglichen Päckchen gewickelt werden. Die Alufolie dient dabei als elektrischer Leiter. Bisher ist die Ausbeute der Piezogeneratoren allerdings noch gering: Pro Schritt wird nur etwa ein Millijoule produziert – während das Ziel bei rund einem Joule liegt.

Obwohl das System auf der Hannover Messe 2010 als Weltneuheit vorgestellt wird, ist über eine kommerzielle Umsetzung bislang nichts zu finden.

Im April macht das Konzept einer selbsterwärmenden Dusche die Runde, welches für die SaloneSatellite Awards 2010 während der Mailänder Designwoche eingereicht wird – und dort prompt mit dem 2. Preis ausgezeichnet wird. Auch hier steht ein internationales Designerteam dahinter: der Finne Sebastian Jansson, die Mexikanerin Fernanda Piza, der Brasilianer Victor Stelmasuk sowie die Deutsche Natalie Weinmann.

Die exotische Kunstform-Dusche kombiniert die Inspiration durch das Kreislaufsystem des menschlichen Körpers mit der technologischen Innovationen der Piezoelektrizität. Ein Netzwerk von Fasern innerhalb der geschwungenen und miteinander verbundenen Rohrleitungen soll kinetische Energie aus der Reibung ernten und Strom erzeugen, um das Wasser zu erhitzen. Hierfür erweitern die Designer den Bereich der Rohrleitungen und fügen viele Kurven hinzu, welche dem Wasser mehr Bewegung und Zeit geben um innerhalb der Rohre für Reibung zu sorgen.

Gesteuert werden soll die unabhängig arbeitende Dusche, die auf keine externe Energiequelle angewiesen ist, über einen Touchscreen, der in die Badezimmerfliesen integriert werden kann.

Ein weiteres Konzept, welches im Mai 2010 prämiert wird, stammt von den Designern Steven Ma, Wendy Fok und Dominik Strzelec aus Österreich, die damit den 2. Platz bei dem internationalen Architekturwettbewerb zur Entwicklung der maritimen Transport-Terminals der etwa 42 km langen Hong Kong-Zhuhai-Macao-Brücke (HZMB) belegen, einem strategisch-kommerziellen Korridor, der drei wichtige Regionen in Chinas Pearl River Delta verbindet und mit dessen Bau im Dezember 2009 begonnen wurde.

Abgesehen von der hohen Ästhetik des Konzepts, die es zu einem Symbol des Vermittlers zwischen Himmel und Erde macht, bezieht sich der Entwurf speziell auf nachhaltige Technologien wie der Solar- und Wasserkraft sowie auf ein piezoelektrisches Energieerzeugungssystem.

Dieses soll  in den Asphalt und Landschaftsbau der gesamten Anlage eingebettet den Schall und die Schwingungsenergie der zahlreichen vorbeifahrenden Fahrzeuge recyceln und wiederverwenden.

Ebenfalls im Mai 2010 stellt die französische Firma Arveni aus Bron, die sich als Ingenieurbüro schon seit 2007 mit dem Ernten von Energie beschäftigt, eine 12-Tasten-Fernbedienung vor, die durch einen piezoelektrischen Mikrogenerator betrieben wird, der 90 mW liefert. Die Funkfernbedienung gilt allerdings nur als Zwischenschritt hin zu einet voll funktionsfähigen Fernbedienung z.B. für TV-Anwendungen.

Ab 2014 ist Arveni dann Hersteller von batterielosen Funk-Wandschaltern und ihren Empfängern. Diese erreichen unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von über 80 % der mechanischen Eingangsenergie durch das Pressen des Schalters, während das reale Produkt immerhin bis zu 40 % erzielt.

Das Modell eines T-Rex Harvesters mit Piezo-Mikrogenerator, der Vibrations-Energie in Strom umwandelt, erzeugt bei 50 Hz rund 200 mW. Ein T-Rex Demokit wird zum Verkauf angeboten.

In einem im Juni 2010 erschienenen Artikel fassen Prof. João Sinézio de Carvalho Campos und Reinaldo Ricchi Jr. von der University of Campinas in Brasilien den aktuellen Stand der Technik auf dem Feld der elektroaktiven Polymere (EAPs) zusammen. Diese waren bereits in den später 1990er Jahren bei SRI International in Menlo Park, Kalifornien, entwickelt worden.

Das gummiartige Material, das damals unter dem Namen Electroactive Polymer Artificial Muscle (EPAM) als elektrisch stimulierte künstliche Muskeln mit funktioneller Ähnlichkeit zu natürlichen Muskeln bekannt wurde, erzeugt umgekehrt durch zyklisches Auseinanderziehen und anschließende Kontraktion Elektrizität, ohne daß es dafür weiterer Geräte bedarf. Ich berichte darüber ausführlicher im Kapitel zur Muskelkraft, als auch in der Länderübersicht Wellenenergie/USA (s.d.).

In dem neuen Artikel werden die EAPs aufgrund ihrer Flexibilität, Vielseitigkeit und den geringen Kosten dieser Materialien als vielversprechende Alternative für einige Energie-Harvesting-Anwendungen bezeichnet, insbesondere wenn diese Vorrichtungen aus einem piezoelektrischen Polymermaterial wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt werden, das mechanische Bewegungen in elektrische Energie transformiert.

Carvalho Campos berichtet zudem über die Ergebnissen von Forschern der Inha University in Südkorea, die eine leichte und kostengünstige behandelte Cellulose entwickelt haben, die sich in Reaktion auf Elektrizität biegen kann und zudem eine geringere Leistungsanforderung stellt, verglichen mit ähnlichen elektrisch aktiven Materialien. Das elektroaktive Papier (EAPap) wird elektrisch durch eine Kombination von Ionenwanderung und piezoelektrische Effekte aktiviert.

Sobald es gelingt, den piezoelektrischen Effekt des EAPap zu maximieren, kann das Material für viele Anwendungen wie Sensoren, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Lautsprecher, Mikrophone, Wandler und insbesondere in Energie-Erntern verwendet werden.

Einem Forscherteam um Prof. Yoel Fink am MIT ist es einem Bericht vom Juli 2010 zufolge gelungen, spezielle piezoelektrische Fasern (Multimaterial piezoelectric fibres) herzustellen, die dünner als ein Mikrometer sind Mikrofon- bzw. Lautsprechereigenschaften besitzen. Obwohl piezoelektrische Materialien eigentlich für Audioanwendungen prädestiniert sind, erwies sich die Umsetzung in die Praxis als äußerst kompliziert, weshalb die neuen Fasern des MIT eine kleine Sensation betrachtet werden.

Nachdem es Finks Gruppe im Vorjahr gelungen war, in optischen Fasern licht- und hitzeempfindliche Stoffe zugleich einzuarbeiten und daraus etwa Kameras zu machen, wird nun ein piezoelektrisches Polymer eingearbeitet, dessen molekulare Struktur ein elektrisches Signal in eine mechanische Verformung umwandelt und umgekehrt, so daß sich die Dicke des Lichtwellenleiters ändert.

Die fertige Faser besteht aus dem lichtleitenden Kern, der piezoelektrischen Schicht und Indium-Elektroden, die sich als schmale Stränge auf zwei Seiten durch die Faser ziehen. Über die können elektrische Signale durch das Kabel in die Piezoschicht geschickt werden, so daß sich die Faser zusammenzieht. Dabei entstehen Schwingungen, die sich als Schallwellen nutzen lassen. Wird umgekehrt die Faser irgendwo gequetscht, erzeugt die Piezoschicht ein elektrisches Signal.

Da sie sowohl Infrarotlicht als auch Schallwellen transportieren können, ließen sich aus den Multifunktionsfasern medizinische Sensoren entwickeln, welche die Möglichkeiten eines Ultraschallgeräts, eines Herzmonitors und eines chemischen Spektrometers kombinieren. Zudem lassen sich mit Hilfe der Piezoschicht die optischen Signale im Kern der Faser modulieren, weshalb das Team eine weitere Faser entwickelt, die zusätzlich noch eine spiegelnde Schicht enthält, die je ihrer Dicke nur bestimmte Wellenlängen reflektiert.

Wird ein elektrisches Signal durch diesen Fasertyp geschickt, verformt sich die Piezoschicht und staucht die Spiegelschicht, wodurch sich die charakteristische Wellenlänge ändert, die sie reflektiert. In Textilgewebe eingearbeitet, könnten solche Fasern daher verschiedene Farbmuster erzeugen, wodurch man Information aus einem Kleidungsstück oder einer anderen Oberfläche auslesen kann, in welche die Faser eingebettet ist.

Neben ,anziehbaren’ Mikrophonen und biologischen Sensoren könnten die Fasern lose Netze bilden, welche die Strömung von Wasser in das Meer überwachen, oder großflächige Sonarabbildungssysteme mit deutlich höheren Auflösungen als bisher. Ein Gewebe, das aus akustischen Fasern gewebt ist, entspricht dem Äquivalent von Millionen winziger akustischer Sensoren, die sich aufgrund ihrer piezoelektrischen Bauelemente selbständig mit Energie versorgen.

Ebenfalls im Juli 2010 stellt der Designer Jake Loniak aus Santa Monica, Kalifornien, den Entwurf eines Silhouette Hybrid Trike vor, das als Null-Emissions-Fahrzeug mit Pedalkraft und einem Elektromotor angetrieben wird.

Das Chassis und die Aufhängung des leichten Hybrid-Dreirades soll aus piezoelektrischen Verbundmaterialien gefertigt werden, um die Schwingungen während der Fahrt in elektrische Energie für die Beleuchtung umzuwandeln. Das mit einem transparenten Schutzschild versehene Gefährt könnte soll mit seinen bürstenlosen Radnaben-Motoren eine Maximalgeschwindigkeit von 50 km/h erreichen.

In einem weiteren Bericht, der im Juli 2010 erscheint, beschreiben Forscher der Universität von Lyon um Mickael Lallart and Daniel Guyomar eine neue Technik, bei der eine anfängliche Energie-Injektion, die aus der geernteten Energie selbst extrahiert wird, die gesamte piezoelektrische Energieleistung stark erhöhen kann. Diese Methode soll 20 mal mehr Energie als normal erzeugen, wenn Standardkomponenten zum Einsatz kommen, und bis zu 40 mal mehr bei verlustarmen Geräte.

Die von ihnen aufgezeichnete Energieerntekette zeigt, wie ein Teil der Anfangsenergie, die zuvor geerntet wurde, in kurzen Impulsen wieder in das piezoelektrische Element injiziert wird, um die Gesamtmenge der geernteten Energie zu erhöhen, was aufgrund eines Energie-Resonanz-Effekts geschieht. Damit werden Vorrichtungen denkbar, die viel weniger piezoelektrisches Material als ein Standard-Design verwenden, aber dennoch die gleiche Menge an Energie ernten.

Eine Meldung vom August 2010 besagt, daß Prof. Yong Shi und sein Team vom Stevens Institute of Technology in Hoboken, New Jersey, Nanogeneratoren sowohl auf Silizium- als auch Polymersubstraten geschaffen haben. Das Konzept beinhaltet piezoelektrische Nanodraht- und Nanofaser-basierte Generatoren auf Basis von PZT, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Die PZT-Nanofasern mit einem Durchmesser von etwa 60 nm und einer Länge von 500 nm werden auf ineinandergreifenden Elektroden aus feinen Platindrähten ausgerichtet und mit einem weichen Polymer auf einem Siliziumsubstrat verpackt. Die gemessene Ausgangsspannung unter periodischer Belastung beträgt 1,63 V, die Leistung 0,03 µW.

Im Oktober 2010 stellen Forscher der Louisiana Tech University um Prof. Long Que ein neues und energieeffizientes Gerät vor, das einen Ausleger (Cantilever) aus piezoelektrischem Material verwendet, der auf einer Seite mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Film überzogen ist. Dieser veranlaßt den Ausleger, sich wiederholt hin und her zu biegen, wenn er Licht und/oder Wärme absorbiert, wobei das piezoelektrische Material solange Energie erzeugt, wie die Licht- und/oder Wärmequelle aktiv sind.

Die Entwicklung bietet die neue Option, kontinuierlich sowohl Sonnen- als auch Wärmeenergie auf einem einzigen Chip zu ernten, was unbegrenzt laufende Mikro- und Nanosysteme ermöglichen würde. Das selbständige auf und ab tritt aufgrund der konstanten Absorption von Photonen, der hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer schnellen Wärmeableitung in die Umgebung des Auslegers auf.

Im Experiment zeigt das Forscherteam, daß ein Cantilever aus CNF-PZT in der Lage ist, genügend Energie zu erzeugen um einige Low-Power-Mikrosensoren zu versorgen. Nun soll die Effizienz und Gesamtleistung dieser Technologie weiter verbessert werden.

Im selben Oktober 2010 berichten Wissenschaftler der britischen University of Bolton um Prof. Elias Siores und Ravi Hadimani über die Erfindung einer flexiblen piezoelektrisch-photovoltaischen Faser, aus der sich ein energieproduzierendes Gewebe herstellen läßt. Das Hybridmaterial könne in alles eingewebt werden, einschließlich Laptop- und Handy-Hüllen. Der Vorteil einer hybriden PV/Piezo-Zelle ist, daß sie Energie erzeugen kann, auch wenn es an einem regnerischen oder windigen Tag kein ausreichendes Sonnenlicht gibt – eben durch durch die Energie von Wind und Regen.

Mittels einer Finanzierung in Höhe von 1 Mio. £ durch das Knowledge Centre for Materials Chemistry (KCMC) kann das Forscherteam des Institute for Materials Research and Innovation (IMRI) mit der Produktion von Proben des patentierten Hybridmaterials beginnen. Damit soll gründlich dessen Wirksamkeit getestet werden, die Energien aus Wind, Regen und Sonne zu sammeln. Zudem will man untersuchen, ob sich damit auch Strom aus den Wellenbewegungen erzeugen läßt.

Die organische Photovoltaikzelle auf Basis von P3HT und PCBM wird auf einem piezoelektrischen PVDF-Polymer-Substrat entwickelt. Bei Laborexperimenten gelingt es bereits, mit einem 20 x 20 cm großen Quadrat des Materials 1 W zu gewinnen.

Gemeinsam mit der Nanchang Hangkong University sowie dem chinesischen Entwicklungsunternehmen GK Opto-electronics Co. Ltd. wird nun daran gearbeitet, die Energie-Faser in den nächsten drei Jahren weiter zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Was sich bislang allerdings nicht belegen läßt. Dafür gewinnt das Team Anfang 2011 den britischen Energy Innovation Award.

Im einer weiteren Meldung vom Februar 2014 berichten die Wissenschaftler über die Entwicklung eines flexiblen piezoelektrischen Gewebes, das die doppelte Leistung der sonstigen, aktuellen Energy-Harvesting-Textilien liefert.

Die durch Navneet Soin und seine Kollegen im Labor von Elias Siores mittels dem Schmelzspinnverfahren hergestellten polymeren piezoelektrischen Fasern sind flexibel, stark und atmungsaktiv und können zusammen gestrickt werden, um ein 3D-Gewebe zu bilden, das aus zwei getrennt leitfähigen, mit Silber beschichteten Polyamidtextilflächen als Elektroden besteht, welche durch Abstandsfäden aus Polyvinyliden-Fluorid (PVDF), der piezoelektrischen Komponente, miteinander verbunden sind.

Die Kompression des Gewebes bewirkt, daß die Abstandsfäden eine Ladung zu erzeugen, die von den zwei Metallflächen gesammelt wird. Derzeit können 1 – 5 μW Leistung pro Quadratzentimeter erzeugt, das Team ist allerdings zuversichtlich, daß sich die Leistung durch weitere Optimierung noch verbessern läßt.

Im März 2011 kursiert in den Blogs ein Beitrag zum SHIFTboston Wettbewerb, der von dem Designer Prof. Anthony Di Mari und seinem Studio ad3 in Boston stammt.

Das Konzept URBAN FIELD besteht aus einem piezoelektrischen Feld mit künstlichen ,Bäumen’, die in der Lage sind, sowohl Regenwasser zu sammeln als auch Strom erzeugen. Mit dem Wasser aus den Niederschlägen sowie Grundwasser soll die Rose F. Kennedy Greenway Landschaft bewässert werden, während die gespeicherte Windenergie für leuchtende LEDs in der Nacht sorgt.

Das veränderbare Raster ist nicht zufällig, sondern so angelegt, daß es die vom Hafen kommenden starken Windströmungen optimal nutzt. Details zu der piezoelektrischen Technologie, die der Designer hierbei einsetzen möchte, gibt es allerdings keine.

Im Industriesektor wird im März 2011 bekannt, daß Wissenschaftler der Firma Siemens einen äußerst robusten Energy-Harvester aus piezoelektrischen Keramiken entwickelt haben, der ein sehr kompaktes Feder-Masse-System nutzt und Bewegungen mit verschiedenen Frequenzen und Amplituden in Strom mit einer Leistung von mehreren Milli-Watt umwandelt. Derzeit verfügbare ähnliche Systeme können das nur für sehr schmale und vorher genau festgelegte Frequenz- und Amplitudenfenster.

Das Besondere der Konstruktion ist das Feder-Masse-Systems, dessen Eigenfrequenz sich durch Selbstversteifung an die veränderliche Frequenz der Umgebungsbewegung anpaßt. Dies hat zwei Vorteile: Zum einen nutzt das System bereits kleine Bewegungen zur Stromerzeugung, und zum anderen beschränkt die Selbstversteifung die Auslenkung des Feder-Masse-Systems, so daß es auch durch sehr harte Stöße nicht zerstört wird.

Die Energieerntemaschine nutzt hierbei gestapelte piezoelektrische Materialien, die von Siemens in den 1990er Jahren als leistungsstarker Präzisionsantrieb für Einspritzventile in Fahrzeugen mitentwickelt wurden. Die nächste Aufgabe der Siemens-Forscher ist nun, die Leistung des Energy Harvester zu optimieren und die Stromausbeute zu erhöhen. Zudem sollen die Montagekosten des Gerätes gesenkt werden.

Im Mai 2011 berichtet die Presse vom Baubeginn einer neuen Sportstätte in Indien, die sich trotz ihrer Größe nachhaltig und harmonisch in die natürlich Umgebung einfügt. Den Grundstein für das Athletic Ripples Projekt legt die Präsidentin der Kongresspartei Sonia Gandhi persönlich.

Der ehrgeizige Entwurf der indischen Design-Firma Studio Symbiosis sieht einen abwechslungsreichen Sportstadt-Komplex vor, der von Wasserwellen und -tropfen inspiriert ist. Eine zentrale Fußgängerzone bildet das Rückgrat der Anlage.

Die Dächer der Stadien bestehen aus einer Mischung aus Sonnenkollektoren und pneumatischen Platten, welche unter Ausnutzung der starken Sonneneinstrahlung die erforderliche Lichtintensität innerhalb der Räume steuern. In den Fußwegen sind wiederum Piezoelemente vorgesehen, welche die kinetische Energie der Besucher zur Stromerzeugung nutzen. Die Fertigstellung ist für das Jahr 2012 geplant. Es läßt sich aber nichts darüber finden, daß dies tatsächlich geschehen ist - zumindest nicht unter dem genannten Namen.

Ebenfalls im Mai 2011 stellen die Designer Yonggu Do, Jun-se Kim und Eun-Ha Seo aus Korea im Rahmen des Design-Wettbewerbs ,A life with future computing’, der von Fujitsu und der Design Association Japan (DA) organisiert wurde, das Konzept eines Tablet PC vor, der sich selbst mit Energie versorgt. Die Grundlage dafür bieten piezoelektrische Bauteile, die unter dem Touchscreen verborgen sind.

Der mit einem 1.000 $-Spezialpreis der Jury ausgezeichnete Ecopad soll ausschließlich mit der Energie betrieben werden die entsteht, wenn der Nutzer – dem Durchschnitt zufolge – bis zu 10.000 mal am Tag auf den Touchscreen drückt. Ob und wann dieser Tablet PC auf den Markt kommen wird, ist noch nicht bekannt.

Bereits realisiert und in Gebrauch ist demgegenüber eine spiralige Kunstinstallation der dänischen Architekten des Studios 3XN aus Kopenhagen, die im Juni 2011 in den Blogs vorgestellt wird.

Der für eine Ausstellung im Louisiana Museum of Modern Art entwickelte Pavillon, Teil der interaktiven Kunst im öffentlichen Raum, ist vollständig biologisch abbaubar, da er auf der Außenseite aus einem Bio-Verbundwerkstoff aus biologischem Harz und Flachsfasern besteht, während für den inneren Kern Kork verwendet wird.

 Der Pavillon ist zudem in der Lage, aus dünnen, flexiblen Photovoltaik-Zellen Solarenergie – und mittels piezoelektrischen Elementen weitere Energie aus dem Gewicht und dem Druck der darüber laufenden Besucher zu ernten. Diese Energie versorgt dann LEDs, damit der Spaß auch weitergehen kann, nachdem die Sonne untergegangen ist.

Das Verfahren, beim Tippen auf Tastaturen Strom zu erzeugen, wird einem Bericht vom Juni 2011 zufolge auch von Wissenschaftlern der australischen Universität Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) um Prof. Arnan Mitchell umgesetzt. Auch in diesem Fall wird ein piezoelektrischer Dünnfilm unter die Tasten gelegt, und es gelingt sogar, die erzeugte Spannung zu messen. Man geht davon aus, daß die Technik in drei Jahren marktreif sein könnte.

In diesem Zusammenhang rechnet Sven Hauberg auf übergizmo (im Juni 2014) allerdings folgendes vor: Einer Studie zufolge benötigt es 1,5 Millijoule, um eine normale Taste zu drücken, und etwa 2,5 mJ, um eine große Taste wie die Enter-Taste zu betätigen. Zur Einordnung: Mit einem Millijoule läßt sich ein Tropfen Wasser um ein Hundertstel Grad erwärmen.

Ausgehend davon, daß ein durchschnittlich langer Roman aus 500.000 - 1.000.000 Wörtern besteht, erzeugt man bei dessen Tippen also rund ein Kilojoule. Diese Energie reicht gerade einmal aus, um einen Laptop 15 Sekunden lang laufen zu lassen. Oder anders gesagt: Um einen Laptop allein durch Tastatur-Energie zu betreiben, müsste man darauf alle 15 Sekunden einen kompletten Roman schreiben!

Im Juli 2011 berichtet ein Team um Prof. Nazanin Bassiri-Gharb vom Georgia Institute of Technology über die Verwendung einer als Thermo-Nanolithographie (TCNL) bekannten Technik, die ebendort 2007 entwickelt worden war, um nanometerskalige ferroelektrische Strukturen direkt auf flexiblen Kunststoffsubstraten herzustellen, die sonst nicht in der Lage sein würden, den in der Regel erforderlichen Verarbeitungstemperaturen von über 600°C bei der Herstellung solcher Nanostrukturen zu widerstehen.

Mit der Technik, die eine beheizte Rasterkraftmikroskop-Spitze verwendet, um Muster zu erzeugen, können mit hoher Produktionsrate und geringen Kosten komplexe ferroelektrische Strukturen für MEMS- und NEMS-Sensoren und -Aktoren geschaffen werden – ebenso wie piezoelektrische Materialien für den Einsatz in der Energienutzung, und zwar direkt in der gewünschten Form und wo man sie haben will.

Ferroelektrische Materialien sind deshalb so attraktiv, weil ihre ladungserzeugenden piezoelektrischen Reaktionen um eine Größenordnung stärker sind als die von Materialien wie Aluminiumnitrid oder Zinkoxid.

Die Forschung, an der auch Wissenschaftler von der University of Illinois Urbana-Champaign und der University of Nebraska Lincoln beteiligt sind, wird von der National Science Foundation und dem US-Department of Energy gefördert.

Ein Team der University of Wisconsin-Madison um Prof. Chang-Beom Eom meldet im November 2011, daß mit Integration eines komplexen, einkristallinen Materials mit extrem starken piezoelektrischen Eigenschaften auf Silizium nahezu nanoskalige elektromechanische Vorrichtungen hergestellt werden können, die zu Verbesserungen in diversen Anwendungsbereichen wie der hochauflösenden 3D-Ultraschall-Bildgebung, der Signalverarbeitung, Sensorik und Kommunikation wie auch dem Energy Harvesting führen könnten.

Gearbeitet wird hier mit dem weiterentwickelten piezoelektrische Material Blei-Magnesium-Niobat-Bleititanat (PMN-PT), das aufgrund seiner Komplexität bislang alle Bemühungen vereitelt hatte, dafür einfache und reproduzierbare Mikrofertigungstechniken zu entwickeln. Erst Eom und seinen Kollegen gelingt es diese Barriere zu überwinden, indem sie Fertigungstechniken der Computer-Elektronik anwenden, um das PMN-PT nahtlos auf Silizium zu integrieren.

Hierfür wird auf einem Silizium-Träger eine sehr dünne Schicht aus Strontiumtitanat abgeschieden, die als Matrize wirkt und die Struktur von Silizium nachahmt. Darüber kommt eine, vor einigen Jahren von Eom entwickelte, Schicht aus Strontiumruthenat als Elektrode, und schließlich das einkristalline PMN-PT.

Die Forscher, zu denen auch Kollegen der Pennsylvania State University, der University of Michigan, dem Argonne National Laboratory, der University of California at Berkeley, der Cornell University sowie dem National Institute of Standards and Technology gehören (NIST), werden durch die National Science Foundation über einen vierjährigen Zeitraum mit 1,35 Mio. $ finanziert. Weitere Unterstützung kommt vom Department of Energy, dem Office for Scientific Research der Air Force und der David Lucile Packard Fellowship.

Nur einen Monat später, im Dezember 2011, berichten die Kollegen der Pennsylvania State University unter der Leitung von Prof. Susan Trolier-McKinstry über ihre Vermessung der elektrischen und piezoelektrischen Leistung der PMN-PT-Dünnfilme. Ohne Zahlen zu nennen, dokumentiert das Team die bislang höchsten Werte der piezoelektrischen Eigenschaften unter allen piezoelektrischen Dünnschicht-Materialen – sowie eine zweifach höhere Leistungszahl als die bislang besten PZT-Filme für Energy-Harvesting-Anwendungen.

Ebenfalls im Dezember 2011 stellt der Industriedesigner Benjamin Wright aus Colorado das Konzept eines piezoelektrischen Dreschflegels vor, der sauberen Strom direkt aus dem Weizenanbau erzeugen soll. Gedacht ist das simple Gerät für Bauern in Afghanistan, die das Korn damit auch stampfen sollen.

Der Drescher besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten. Der oberste Teil besitzt abnehmbare Segmente für die jeweilige landwirtschaftliche Anwendung, wobei das obere rohrförmige Bauteil mit dem piezoelektrischen Elektrizitätserzeugungssystem verbunden ist. Die Batterie ist wiederum im unteren Teil installiert. Es läßt sich jedoch nichts darüber finden, daß die Idee jemals umgesetzt worden ist.

Im Januar 2012 berichten Ingenieure der University of Houston darüber, daß sie quantenmechanische Berechnungen genutzt haben, um zu zeigen, daß mittels Löchern eines bestimmten Musters in einem Bogen Graphen, dieses dazu veranlaßt wird, sich wie ein piezoelektrisches Material zu verhalten.

Die Experten glauben, daß das von Natur aus nicht piezoelektrische Graphen in seiner halbleitenden oder Isolator-Form sein Verhalten ändert, wenn dreieckige Löcher hineingestanzt werden und ein gleichmäßiger Druck auf das Material ausgeübt wird. Kreisförmige Löcher funktionieren demgegenüber nicht. Die Wissenschaftler finden zudem heraus, daß die Pseudo-Piezoelektrizität des Graphen fast so stark ist wie die von Quarz, der bekanntesten piezoelektrischen Substanz.

Im Juli 2014 melden Prof. Pradeep Sharma und sein Doktorand Matthew Zelisko von der University of Houston, die hierbei mit Wissenschaftlern der Rice University und der University of Washington zusammenarbeiten, daß sie inzwischen Graphen-Nitrid als das dünnstmögliche piezoelektrische Material der Welt identifiziert haben. Dieses Material, mißt nur eine Atomschicht, und ist damit etwa eintausend mal dünner als ein menschliches Haar.

Das Material sollte eigentlich gar keine piezoelektrischen Eigenschaften besitzen, doch Zeliskos Berechnungen und Simulationen zeigen unerwartet etwas anderes. Nachdem Prof. Pulickel Ajayan und seine Mitarbeiter an der Rice University die ersten Geräte aus Graphene-Nitrid-Blättern hergestellt haben, werden diese von Prof. Jiangyu Li an der University of Washington getestet, wobei die Piezoelekträt des Materials tatsächlich belegt werden kann.

Sharma hatte in einigen seiner früheren theoretischen Arbeiten vorhergesagt, daß reines Graphen mit dreieckigen Löchern piezoelektrischen wirksam werden kann. Durch die neuen Forschungsergebnisse kann beweisen werden, daß im Grunde jedes Halbleitermaterial piezoelektrisch gemacht werden kann, wenn man dreieckige Löcher hinein schneidet, die in dir gleiche Richtung weisen. Der Grund für diese Dreiecksform ist, daß die Form der Löcher nicht spiegelsymmetrisch sein darf, da die Materialien sonst nicht piezoelektrischen werden.

Ein weiterer einzigartiger Faktor ist, daß das Graphen-Nitrid übereinander gestapelt werden kann – d.h. eine Atomlage auf der anderen – ohne seine Piezoelektrizität zu verlieren, wie es bei den meisten anderen atomar dünnen Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften der Fall ist. 

Da der Bereich von Schwingungen, die ein piezoelektrisches Gerät nutzen kann, derzeit noch sehr begrenzt ist, arbeitet ein Forscherteam um Brian P. Mann an der Duke University in North Carolina daran, eine Alternative für die bisherige Umsetzung zu finden, bei der die Harvester typischerweise in einer linearen Weise arbeiten, da sie nur auf eine bestimmte Schwingungsfrequenz abgestimmt sind. Dies mag im Labor gut funktionieren, wo immer und immer wieder die gleiche Schwingung erzeugt werden kann, während diese in der realen Welt viel zufälliger auftreten.

Um eine praktische Menge an Strom zu erzeugen müssen die Geräte dagegen in der Lage sein, die Vorteile eines breiteren Frequenzbereichs zu übernehmen, was bedeutet, daß sie im Wesentlichen nicht-linear funktionieren müssen.

Dem im März 2012 veröffentlichen Bericht zufolge überarbeitet das Team die mathematischen Prinzipien, die in der Gestaltung von linearen piezoelektrischen Geräten angewendet werden und baut dann ein physikalisches Labormodell, bei dem Magnete verwendet werden um einen Ausleger aus piezoelektrischem Material zu verbiegen. Indem die Ausrichtung der Magneten verändert wird, gelingt es die zufällige Natur von Schwingungen im Alltag zu simulieren.

Mit Anwendung der neuen Prinzipien auf das Material kann der Ausleger so eingestellt werden, daß er einen größeren Bereich dieser Schwingungen ernten kann, als es sonst möglich ist. Der nicht-lineare Ansatz bietet signifikante Verbesserungen bei der Stromerzeugung, die manchmal eine ganze Größenordnung betragen können.

Wissenschaftler, die im Rahmen des im September 2009 gestarteten europäischen Metrology for Energy Harvesting Project arbeiten, haben laut einer ebenfalls März 2012 veröffentlichten Meldung ein neues Modell entwickelt, um bei piezoelektrischen Energy Harvestern die maximale Leistung zu erzielen.

Die Harvester bestehen typischerweise aus vibrierenen Auslegern, die mit einer piezoelektrischen Schicht bedeckt sind. Die meisten Entwickler bedecken die gesamte Länge des Auslegers mit dem piezoelektrischen Material im Versuch, damit den Umwandlungswirkungsgrad zu maximieren.

Nun haben Wissenschaftler am britischen National Physical Laboratory, eines der sieben an dem EU- und Industrie-geförderten Projekt beteiligten nationalen Institute, entdeckt, daß dieser Ansatz kontraproduktiv ist. Tatsächlich verursacht die Ladungsumverteilungs über den Ausleger einen internen Verlust von bis zu 25 % der potentiellen Ausgangsleistung. Um dem entgegenzuwirken, entwickelt das Team ein Modell, das zeigt, daß mehr Energie umgewandelt werden kann, wenn der Ausleger nur über zwei Drittel seiner Länge mit dem piezoelektrischen Material bedeckt wird.

Das Projekt kann über elf Newsletter verfolgt werden, die auf der Homepage abrufbar sind und bis Oktober 2013 reichen. Was danach daraus geworden ist, ließ sich bislang nicht herausfinden.

Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) um Zhong Lin Wang, der gleichzeitig auch am Georgia Institute of Technology tätig ist, stellen im März 2012 einen neuen piezoelektrischen Nanogenerator (NG) vor, der die Einschränkungen in früheren Versuchen zu überwinden verspricht, ein einfaches und kostengünstiges selbstversorgendes Energiesystem in großem Maßstab zu bauen. Wangs Team hatte bereits im Vorjahr den weltweit ersten piezoelektrischen Nanogenerator aus Zinkoxid-Nanodrähten geschaffen (s.d.).

Das Team erzeugt ein Komposit durch Mischen von piezoelektrischen Nanopartikeln, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und reduziertem Graphenoxid in einer Matrix aus Polydimethylsiloxan (PDMS) und stellt den Nanogenerator anschließend im Schleudergussverfahren her.

Trotz seiner relativen Einfachheit erreicht das Verbundmaterial einen Wirkungsgrad von 7 % sowie eine viel höhere Leistungsdichte als andere Vorrichtungen mit ähnlicher Struktur. In ein Paar Schuhe eingebettet, könnte eine durchschnittlich gebaute Person damit etwa 3 W erzeugen. Haltbarkeitstudien bestätigen zudem, daß selbst nach Tausenden von Zyklen, in denen das Material gebogen und wieder entspannt wird, keine merkliche Verschlechterung der Leistung auftritt.

Im Juli 2012 veröffentlicht ein weiteres Forscherteam des KAIST um Prof. Lee Gun Jae eine Dissertation über einen Nanogenerator aus Nanokomplexen nebst der Basis-Technologie, welche die Herstellung eines kostengünstigen und großflächigen Nanogenerators ermöglicht. Dieses Team verwendet dabei das keramische Dünnschichtmaterial BaTiO₃, das eine 15 – 20 mal größere piezoelektrische Kapazität als ZnO besitzt, und das mit Polydimethylsiloxan (PDMS) und entweder Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder reduziertem Graphenoxid (RGO) vermischt wird, die beide eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Im August 2012 folgt eine Veröffentlichung des Wang-Teams unter dem Titel ,Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell (SCPC)’, in welcher ein mechanisch-chemischer Stromspeicher vorgestellt wird, der sich direkt mit mechanischen Bewegungen aufladen läßt.

Herzstück des Prototyps ist eine piezoelektrische Spezialmembran aus einem Polyvinylidenfluorid-Film (PVDF), während die Kathode der Batterie aus Lithiumkobaltdioxid (LiCoO₂), und die Anode aus Titandioxid-Nanoröhrchen (TiO₂) auf einer Titan-Schicht besteht. Zur experimentellen Überprüfung wird das Modul in eine Schuhsohle eingesetzt, sodaß beim Gehen mechanischer Druck auf die Membran ausgeübt werden kann.

Durch die dabei hervorgerufene Verformung wird über den piezoelektrischen Effekt ein Spannung erzeugt, welche die Lithium-Ionen von der Kathode löst und durch die Membran zur Anode wandern läßt. Dort angekommen, reagieren die Lithium-Ionen mit dem Anodenmaterial zu Lithiumtitanoxid. Und wie in einem klassisch aufgeladenen Akku können die Lithium-Ionen später wieder freigesetzt werden und dabei Elektronen in einen Stromkreislauf abgeben.

Mit einem rhythmisch ausgeübten Druck bei einer Schreitfrequenz von 2,3 Hz erreichen die Forscher binnen vier Minuten eine Ladungssteigerung von 327 auf 395 µV – während die Zelle bei einem Stromfluß von einem Milliampere innerhalb von zwei Minuten wieder entladen werden kann und dabei eine Kapazität von etwa 0,036 µAh erreicht, was immerhin zum Betrieb eines kleinen Taschenrechners ausreicht.

Wang und sein Forschungsteam haben bisher mehr als 500 Exemplare dieser Leistungszellen gebaut und getestet. Die Wissenschaftler schätzen, daß ein Zweizellengenerator-Speichersystem um fünf Mal effizienter sein wird. Insbesondere soll zukünftig eine verbesserte, flexible Umhüllung die Mängel der derzeitigen starren Metallverpackung vermeiden.

Diese Forschung werden von der DARPA, der US Air Force, dem Office of Basic Energy Sciences des Department of Energy, der National Science Foundation und dem Knowledge Innovation Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.

Über einen neuen flexiblen piezoelektrischen Nanogenerator des KAIST, der auf einer Bio-Vorlage basiert, wird im Dezember 2013 berichtet. Das Team um die beiden Professoren Keon Jae Lee und Yoon Sung Nam arbeitet daran, die Fähigkeiten der Natur nachzuahmen, diverse Materialien spontan zu synthetisieren und per Selbstorganisation herzustellen, die hoch entwickelte Architekturen aufweisen, wie Muscheln, Schwämme und Knochenmineralien.

Die natürliche Meeresmuschel zum Beispiel, deren Schale aus Kalziumkarbonat (CaCO₃) besteht, ist sehr steif und hart, während die aus dem gleichen Material hergestellte künstliche Kreide ausgesprochen zerbrechlich ist. Zudem werden die meisten künstlichen Synthesen (der Materialien) unter toxischen, teuren und extremen Bedingungen durchgeführt – im Gegensatz zu den natürlichen Synthesen, bei denen die Material in gutartigen und milden Umgebungen verarbeitet werden.

Dem KAIST-Team gelingt es nun erstmals, ein anorganisches piezoelektrisches Material nach Bio-Vorlage durch umweltfreundliche und effiziente Materialsynthesen zu realisieren, indem ein virales M13-Gen genutzt wird, das für Menschen harmlos ist und in der Natur weit verbreitet existiert, um das hochpiezoelektrische Material Bariumtitanat (BaTiO₃) zu synthetisieren. Damit soll ein flexiblen Nanogenerator mit verbesserten Leistung hergestellt werden können.

Im Mai 2014 können Lee und seine Kollegen eine Lösung für die schlechte Energieeffizienz und die komplexen Herstellungsprozesse vorstellen, welche die Vermarktung von Nanogeneratoren bislang behindert haben. Unter Verwendung des sogenannten anorganischen Laser-Lift-off-Prozesses (LLO) entwickelt das Team eine robuste Technik, um einen hochwertigen piezoelektrischen Dünnfilm aus losen Saphir-Substraten auf Kunststoffsubstrate zu übertragen. Dabei können großflächige PZT-Dünnschicht-Nanogeneratoren von 2 x 2 cm Größe auf flexiblen Substraten produziert werden.

Im Versuch gelingt es den Wissenschaftlern, aus der geringen mechanischen Verformung eines einzelnen dünnen Kunststoffsubstrats einen hohen Output bei ~ 250 V zu erzielen, was ausreicht, um 100 LEDs einzuschalten – und die gemessenen Stromsignale bei der Biegebewegung eines menschlichen Fingers zeigen eine hohe elektrische Leistung von ~ 8,7 µA. Darüber hinaus soll der piezoelektrische Nanogenerator einen nicht näher bezifferten Weltrekord beim Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung aufstellen, der fast 40 mal höher liegt als der bisheriger Modelle.

Um die Ausgangsleistung noch weiter zu verbessern, untersucht das Forscherteam nun ein Verfahren, um dreidimensionale Stapeln von flexiblen piezoelektrischen Dünnfilmen zu bauen. Daneben soll mit dem flexiblen Nanogenerator auch ein klinischer Versuch durchgeführt werden.

Im Oktober 2014 melden Prof. James Hone und Wenzhou Wu aus Wangs Team am Georgia Institute of Technology, bei dem nun auch Kollegen der Columbia University mitmachen, daß man zwischenzeitlich den weltweit dünnsten elektrischen Generator hergestellt habe – der nur eine Atomlage dick ist und aus Molybdändisulfid (MoS₂) besteht, das für seine Flexibilität und Leichtigkeit bekannt ist. Es ist gleichzeitig der erste experimentelle Nachweis, daß dieses Material piezoelektrische Eigenschaften besitzt.

Auf der Grafik soll gezeigt werden, wie positiv und negativ polarisierte Ladungen aus einer einzigen Schicht von Atomen herausgedrückt werden, wenn diese gestreckt wird.

Konstruiert wird der Generator, indem dünne Schichten aus MoS₂ auf Kunststoffsubstrate aufgebracht werden, die sich leicht biegen lassen. Allerdings kann der piezoelektrische Effekt, um Elektrizität zu erzeugen, nur unter bestimmten Bedingungen erzielt werden, wie beispielsweise die Notwendigkeit einer ungeraden Anzahl von MoS₂-Schichten.

Im Experiment kann bewiesen werden, daß mit einer zunehmenden Anzahl von Schichten die Menge des erzeugten Stroms abnimmt. Zudem erweist sich, daß das zweidimensionale Material eine größere Menge an Elektrizität erzeugt, wenn es in Gitterform angeordnet wird.

Eine einzelne MoS₂-Schicht, die um 0,53 % auseinander gezogen wird, produziert eine Spitzenleistung von 15 mV und 20 pA, was einer Leistungsdichte von 2 mW und einem Wirkungsgrad von 5,08 % entspricht.

Hinweis: Bereits im August 2014 war es Thomas Müller und seinen Mitarbeitern an der TU Wien gelungen, eine neuartige Halbleiterstruktur herzustellen, die sich ausgezeichnet für den Bau von Solarzellen eignet. Nachdem einige Monate zuvor eine ultradünne Schicht aus nur drei Atomlagen des photoaktiven Kristalls Wolframdiselenid produziert werden konnte, entstand durch die erfolgreiche Kombination mit einer zweiten, ebenfalls nur drei Atomlagen dicken Schicht aus Molybdändisulfid ein Material, das zu großflächigen durchsichtigen, biegsamen und hauchdünnen Solarzellen führen könnte.

Zurück zur Chronologie: Im April 2012 wird berichtet, daß Wissenschaftler der Tsinghua University in China eine neue Art von piezoelektrischem Material entwickelt haben, das kein Blei enthält und auch viel billiger Blei-Zirkonat-Titanat herzustellen ist. Auf der Suche nach einem besseren, umweltfreundlichen Material setzen die Forscher eine Folie aus Zinkoxid (ZnO) ein, der sie Vanadium hinzugefügen.

Daß auch eine direkte Virus-basierte piezoelektrische Energieerzeugung möglich ist, zeigt ein im Mai 2012 veröffentlicher Forschungsbericht der University of California, Berkeley, im welchem Byung Yang Lee und seine Kollegen darauf hinweisen, daß piezoelektrische Materialien zwar aus einer Vielzahl anorganischer Materialien sowie organischer Polymere hergestellt werden können, die Synthese solcher Materialien jedoch häufig toxische Ausgangsverbindungen, harte Bedingungen und/oder komplexe Prozesse erfordert.

Nachdem andere Teams schon zuvor gezeigt haben, daß hierarchisch organisierte natürliche Materialien wie Knochen, Kollagenfibrillen und Peptid-Nanoröhrchen piezoelektrische Eigenschaften aufweisen können, zeigt Lees Team nun, wie die piezoelektrischen und flüssigkristallinen Eigenschaften des M13-Bakteriophagen (Phagen) verwendet werden können, um elektrische Energie zu erzeugen.

Unter Verwendung der Piezoresponse-Kraftmikroskopie können die Struktur-abhängigen piezoelektrischen Eigenschaften des Phagen auf molekularer Ebene charakterisiert werden. Im Experiment wird gezeigt, daß selbstorganisierende dünne Filme aus Phagen piezoelektrische Stärken von bis zu 7,08 V aufweisen können. Außerdem wird nachgewiesen, daß es die genetische Veränderung des wichtigsten Hüllproteins ​​des Phagen möglich macht, die Dipolstärke des Phagen zu modulieren, um die piezoelektrische Reaktion abzustimmen.

Das Team entwickelt schließlich einen Phagen-basierten piezoelektrischen Generator, der bis 6 nA Strom und 400 mV erzeugt – was verwendet wird, um eine Flüssigkristallanzeige zu betreiben. Da die Bioverfahrenstechnik eine groß angelegte Produktion von gentechnisch veränderten Phagen ermöglicht, bieten dafauf basierende piezoelektrische Materialien möglicherweise einen einfachen und umweltfreundlichen Ansatz zur piezoelektrischen Energieerzeugung, schreiben die Wissenschaftler.

Auf der Energy Harvesting & Storage conference von IDTechEx, die ebenfalls im Mai 2012 in Berlin stattfindet, berichtet Sang-Goo Lee, Firmenchef der IBULE photonics über die neuesten Entwicklungen bei der Züchtung von piezoelektrischen Blei-Magnesium-Niobat-Bleititanat Einkristallen (PMN-PT) und ihre Anwendungen in Ultraschallwandlern, Feuermeldern und in der koreanischen Automobilindustrie.

Das piezoelektrische Einkristall-Material wird zwar in einem Hochtemperatur-Kristallwachstumsverfahren hergestellt, erzielt im Vergleich zu polykristallinem PZT jedoch einen 10-fach höheren Spannungsausgang.

Daniel Song von der Hanyang University präsentiert seinerseits Pläne der koreanischen Bahnindustrie, die piezoelektrische Energiegewinnung bei Magnetschwebebahnen zu implementieren, nachdem zumindest theoretisch bewiesen werden konnte, das eine Energieernte von den Schwingungen des supraleitenden Drehgestells möglich ist.

Im Juni 2012 berichten Wissenschaftler der Cranfield University in Großbritannien um den Dozenten Michele ,Mik’ Pozzi über einen Weg, die Einschränkungen des traditionellen Ansatzes zu überwinden, mit piezoelektrischen Keramiken Energie aus den täglichen Aktivitäten des Menschen zu gewinnen. Die Keramiken werden normalerweise in Resonanzsystemen auf die in der Umgebung  vorherrschende Frequenz abgestimmt.

Dabei sei das Problem, daß Menschen träge sind wie Faultiere, während Piezos schneller sind als Kolibris. Um mit ihnen eine gute Leistung zu erhalten, müssen sie bei hoher Frequenz zum vibrieren gebracht werden, und dies, obwohl die menschlichen Bewegungen auf einige Hertz begrenzt sind.

Statt der traditionellen Lösung, am Ende eines freitragenden Bimorph Masse hinzuzufügen, um dessen Resonanzfrequenz zu reduzieren und an die Umgebungsschwingungen anzupassen, kommt Pozzi zu der Erkenntnis, daß die besten Betriebsbedingung für die Energieernte in der Resonanz liegen. So läßt sich der Bimorph – ein piezoelektrisches Sandwich mit Metallfüllung, das auch als Zweikristallelement bekannt ist – zupfen, um dann bei seiner Grundresonanz frei zu schwingen, ähnlich wie es die Saiten eines Musikinstruments tun.

Diese Methode wird als Frequenzaufwärtsumwandlungstechnik klassifiziert, bei der mit einer niederfrequenten Eingangserregung ein Resonanzelement mit einer viel höheren Frequenz zum schwingen gebracht wird. Ein Demonstrator, der an der Cranfield University gebaut wird, trägt dementsprechend auch den Namen ,Pizzicato-Kniegelenk-Energy Harvester’. Ich habe darüber bereits im Kapitel Muskelenergie berichtet (s.d.).

Der Prototyp verfügt über eine zentrale Nabe, welche die piezoelektrischen Zweikristallelemente sowie einen Außenring mit eingebetteten Plektra hält. Bei einer Kniegelenk-Anwendung würden diese jeweils an Hüfte bzw. Schenkel befestigt werden. Wenn der Träger dann läuft, drehen sich Nabe und Ring in Bezug aufeinander in einer hin- und hergehenden Bewegung, sodaß die Plektra die Bimorphe zupfen. Der Demonstrator erzeugt bei normaler Gehgeschwindigkeit etwa 2 mW, was für eine Vielzahl von Sensoren und sogar für die drahtlose Kommunikation ausreicht.

Das Team untersucht nun die Anwendung der Technik in anderen Bereichen – z.B. durch die Entwicklung eines Pizzicato-Windgenerators. Das gemeinsam mit Kollegen der University of Liverpool und der University of Salford durchgeführte Projekt wird von dem Defence Science and Technology Laboratory (DSTL) finanziert, einem Teil des britischen Verteidigungsministeriums.

Ebenfalls im Juli 2012 erscheint die Meldung, daß südkoreanische Wissenschaftler der Seoul National University (SNU) um Kahp-Yang Suh ein synthetisches Äquivalent für die menschliche Haut aus ,Nano-Haar’ Fasern entwickelt haben, das aufgrund seiner einfachen Architektur leicht und preisgünstig hergestellt werden kann und in der Lage ist, Druck, Scherung und Torsion zu erfassen – auch wenn hier noch keine Rede von einem Energy Harvesting ist.

Die künstliche, piezoelektrische Haut mit eingebauten Sensoren verwendet zwei geringfügig getrennte dünne Schichten aus dem flexiblen Polymer Polymethylsiloxan (PDMS), die jeweils mit einer sehr dünnen Schicht aus Platin bedeckt sind, um sie leitend zu machen. Was das Design so einzigartig macht, ist die Verwendung von mit Platin bedeckten, im Durchmesser 100 nm dünnen und einen Mikrometer langen ,Nanohärchen’, welche die inneren Oberflächen der beiden Polymerschichten bedecken.

Die intermolekularen Van der Waals-Kräfte zwischen den Nanohärchen bewirken, daß die beiden Schichten wie eine Art molekulares Klettband zueinander gezogen werden, sodaß das Platin eine elektrische Verbindung aufbauen kann. Gleichzeitig wirkt die Biegefestigkeit Härchen dem entgegen und drückt sie auseinander, wodurch die beiden Kräfte in bestimmtem Abstand zu einem Gleichgewicht finden. Jeder Druck bringt die beiden Schichten einander näher, was den Kontakt zwischen den Härchen erhöht und den elektrischen Widerstand verringert.

Tatsächlich erweist sich die künstliche Haut damit als empfindlicher als die menschliche, sodaß sich auf einer Matrix aus 64 Pixeln der Weg von zwei Marienkäfern verfolgen läßt.

Im August 2012 berichten Forscher am Trinity College in Dublin unter der Leitung von Prof. Vojislav Krstić über ihre Erfindung sogenannter Nanohelix-Strukturen, die als Teil einer Familie von ,Nanogürteln’ gelten, winzige bandartige Strukturen mit Halbleiter- und piezoelektrischen Eigenschaften, welche erstmals im Jahr 2001 von dem o.g. Team um Zong Lin Wang am Georgia Tech nachgewiesen wurden.

Die Innovation ermöglicht die skalierbare Herstellung von metallischen, hoch leitenden und nanostrukturierten 3D-Materialien, wobei die Spiralstrukturen die Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen und Materie auf der Nanoskala ausnutzen können, sodaß sie sich auch für Energy-Harvesting-Anwendungen eignen. Die in diesem Verfahren gezüchteten Nanospiralen können in Länge, Schraubendurchmesser und Spulendurchmesser spezifische Anwendungen abgestimmt werden.

Die Methode hatte Krstić gemeinsam mit seinem Kollegen Jose Manuel Hernandez Caridad bereits 2011 zum Patent angemelder (EP-Nr. 2508469, veröffentlicht 2012).

Im Mai 2015 folgt ein weiterer Forschungsbericht des Krstić-Teams zu den spiralförmigen Nanoteilchen, bei dem es allerdings nur um die optische Leistung von metallischen Nanohelix-Strukturen geht – in Erweiterung des spiralförmigen Antennenkonzepts auf den optischen Wellenlängenbereich. Neuigkeiten bezüglich dem Energie-Ernten gibt es bislang aber keine.

Im September 2012 geben die Firma Teijin Ltd. und die private Kansai University in Suita in der Präfektur Osaka die Entwicklung eines neuen flexiblen und transparenten piezoelektrischen Materials bekannt, das einen bislang beispiellose piezoelektrische Effekte zeigt und mit einem einfachen und praktischen Koextrusionsverfahren hergestellt werden kann.

Das Team um Prof. Yoshiro Tajitsu produziert das neue Material in einem einfachen Herstellungsverfahren, bei dem abwechselnd zwei Arten von Polymilchsäure-Filmen (PLA) laminiert werden: Poly-L-Milchsäure (PLLA) und optische Isomer-Poly-D-Milchsäure (PDLA).

Durch abwechselndes einsetzen positiver und negativer Elektroden zwischen den PLLA- und PDLA-Folien, welche eine piezoelektrische Bewegung in entgegengesetzten Richtungen zeigen, wenn sie elektrischen Feldern der gleichen Richtung ausgesetzt werden, kann die piezoelektrische Bewegung in der gleichen Richtung ausgerichtet werden.

Durch Variieren der Anzahl der Schichten kann zudem die piezoelektrische Leistung so gesteuert werden, daß sie sich für kundenspezifische Ausführungen mit spezifischen Bedürfnissen anpassen läßt. Außerdem verbessert sich die Piezoelektrizität dramatisch, wenn die Qualität des PLA ein gewisses Maß an Reinheit übersteigt. Durch den Einsatz von hochreinem PLLA und PLDA, das mit einer von Teijin entwickelten Raffinerietechnik erreicht wird, demonstriert die weltweit erste binär gemischte PLA-Mehrschichtfolie piezoelektrische Eigenschaften, welche sogar die von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) übertreffen. Zudem ist das neue Material umweltfreundlich.

Der Sieger des diesjährigen Design-Wettbewerbs Land Art Generator Initiative (LAGI), der im Oktober 2012 bekanntgegeben wird, ist ein auffallendes, piezoelektrische Energie erzeugendes Kunstprojekt namens Scene Sensor, das von Künstlern James Murray und Shota Vashakmadze aus Atlanta entworfen wurde, um oberhalb und unterhalb der Oberfläche des Staten Island Park installiert zu werden. Dabei soll sich ein Riegel aus zwei Ebenen zwischen dem nördlichen und östlichen Hügel des Parks erstrecken.

Die geplante Energieerzeugungskapazität von 5.500 MWh aus dem starken Wind, der vor Ort herrscht, soll durch flexible Platten und einem mit piezoelektrischen Drähten ausgestatteten Metallgitter erfolgen. Daneben sind Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium installiert – und auch die Besucher selbst können Energie produzieren, wenn sie auf einer Plattform herumlaufen, die über der Wasserlinie liegt. Dem Entwurf zufolge soll an einem Frühlingstag die gesammelte Energie für 1.200 Haushalte ausreichen.

Interessanterweise integriert auch das zweitplazierte Team aus New York City in seinem 1.000 MWh Projekt TREE neben kinetischen auch piezoelektrische Generatoren – die Sache kommt langsam in Mode.

Im Dezember 2012 wird in den Blogs eine andere, aber ebenso wichtige Umsetzung des piezoelektrischen Effekts vorgestellt. Inspiriert von der Lunge, und durch Anpassung einer Technik, die den Luftstrom durch Strahltriebwerke verbessert, haben Forscher bei GE Global Research um Peter deBock eine neuartige Kühleinrichtung geschaffen, die extrem dünne, leisere und leistungsfähigere Laptops und Tablets ermöglichen soll.

Unter dem Namen Dual Piezo Cooling Jet (DCJ) wird ein gerade mal 3 mm dickes Gerät vorgeführt, das aus zwei Nickel-Scheiben besteht, die auf beiden Seiten mit einem Streifen aus piezoelektrischen Keramiken verbunden sind (im Bild blau).

Wird ein Wechselstrom durch die keramische Komponente geführt, dehnt sie sich aus und zieht sich wieder zusammen. Da dies bis zu 150 mal pro Sekunde geschieht, wirken die Nickelscheiben wie ein Blasebalg. Verengt sich das piezoelektrische Material, werden die Kanten der beiden Nickelscheiben zusammengedrückt, so daß sie sich voneinander weg krümmen und Heißluft aus der Umgebung ansaugen. Dehnt sich das piezoelektrische Material dann aus, kommen die Nickel-Scheiben wieder zusammen und die Luft wird mit hoher Geschwindigkeit aus der Mitte ausgestoßen.

Nachdem GE das erste Patent für die Technologie im Jahr 2004 erhalten hatte, hat es diese jetzt der japanischen Firma Fujikura Ltd. lizenziert, einem großen Hersteller von Kühlgeräten. GE bietet zudem DCJ-Kits an, um die Technologie in der nächsten Generation von Tablets und Laptops zu testen. Realistisch betrachtet, sollte die DCJ-Kühlung daher irgendwann in den nächsten paar Jahren auf den Markt kommen.

Auch das innovative italienische Start-up-Unternehmen GreenRail s.r.l. des Gründers Giovanni Maria De Lisi, das im Jahr 2012 aus der Taufe gehoben wird und seinen Hauptsitz in Milano hat, will zur Erzeugung von Strom Piezo-Elemente nutzen – und zwar in Form von Bahnschwellen. Der Bedarf an den Bauteilen ist groß: Allein in Europa müssen pro Jahr im Schnitt etwa 40 Millionen Stück ersetzt werden.

Die von der umweltbedachten Firma entwickelten Schwellen bestehen größtenteils aus einer Mischung aus recycelten Reifen und Plastikabfällen um einen Betonkern herum, da komplett aus Kunststoff bestehende Modelle zu leicht sind, um Züge mit mehr als 80 km/h fahren zu lassen. Die Vorteile des Kunststoffmantels liegen primär darin, daß er die Schwingungen dämpft und daher leiser, langlebiger und günstiger instand zu halten ist, als herkömmliche Versionen.

Zudem sei das neue Modell stabiler als reguläre Schwellen. Bei einem Kilometer Bahnstrecke, bestehend aus 1.670 GreenRail-Bahnschwellen, kämen 35 t Altreifen und 36 t Altkunststoffe zum Einsatz. Die Lebensdauer der liege bei ungefähr 50 Jahren.

Die zweite Besonderheit bilden die integrierten Piezo-Elemente, die den Druck der Züge auf die Schwellen in Elektrizität umwandeln. Der Firma zufolge sollen pro Kilometer und Stunde 10 – 15 durchfahrende Züge reichen, um bis zu 120 kW zu generieren. Nun arbeitet das Start-up, das die neuen Schwellen bereits in 148 Ländern patentiert hat, zusammen mit der Polytechnischen Universität Mailand und weiteren Partnern an der Kommerzialisierung des Prototyps.

Nach GreenRails Kalkulation betragen die Gesamt-Produktionskosten mit 70 € pro Stück (andere Quellen: 85 €) deutlich weniger als bei Betonschwellen mit einer Gummibasis und nachgerüsteter Piezo-Technik. Neben der Schwelle mit den Piezoteilchen, plant das Unternehmen, das im Laufe der Folgejahre diverse Preise gewinnt, auch eine Variante mit integrierten Photovoltaikzellen. Der erste vollständig aus GreenRail bestehende Schienenkilometer soll 2016 auf seine Alltagstauglichkeit getestet werden.

Interessanterweise gelangt auch ein Team von Studenten der University of Nebraska-Lincoln im Juli 2015 zu einer ähnlichen Entwicklung, als es fünf Systeme konzipiert, die Energie von den Schienen beziehen. Ziel des Projekts ist die Versorgung von Warnlichtanlagen an Bahnübergängen.

Das erste System ist so konzipiert, daß es Strom über eine induktive Spule erzeugt, die über einem Permanentmagneten mit radialem Magnetfeld an der Schiene befestigt ist, während das zweite System einen Streifen aus piezoelektrischem Material umfaßt, der auf der Unterseite Schiene befestigt ist. Unter dem Gewicht des Zuges biegt sich die Schiene und belastet das Material mechanisch, was die Leistung erzeugt. Die beiden Systeme erzeugen zwar ausreichend Strom, um Funksensoren zu versorgen, können aber nicht genug produzieren, um dem Zweck der Studie gerecht zu werden.

Als alternative Lösungen werden daher noch ein Ratschen-Mechanismus konzipiert, der durch die vertikale Biegung der Schiene bewegt ein Getriebe mit Generator dreht, sowie eine Art Hydrauliksystem mit Zylinder und Motor, das durch die vertikale Ablenkung der Schiene angetrieben wird. Bei dem fünften System wird ein federbelasteter Nockenmechanismus, der an den Schienen befestigt ist, von jedem der darüber rollenden Rad gedrückt. Sobald es passiert, wird die Feder zurück-, und durch das nächste Rad wieder nach vorne geschoben. Mit der entstehenden Pendelbewegung wird ein Stromgenerator angetrieben, der eine ausreichende Menge an Elektrizität erzeugt.

Zurück zur Chronologie: Weitere Umsetzungen im Bereich der piezoelektrischen Vorrichtungen beschreibt der im Januar 2013 veröffentlichter Bericht einer Forschungsgruppe um Prof. Shuxiang Dong von der Universität Peking. Hierzu gehören miniaturisierte piezoelektrische Hochtemperatur-Motoren, piezoelektrische Hochtemperatur-Aktoren, ein piezoelektrischer Einkristall-Mikroaktuator für obtische Einstellungen sowie ein ferromagnetischer/elastischer/piezoelektrischer Verbund mit extrem hohen magnetomechanischen und magnetoelektrischen Kopplungseffekten.

Zu diesem Zeitpunkt sind bereits über 200 piezoelektrische Materialien bekannt, die für die Energiegewinnung verwendet werden können. Obwohl als erste piezoelektrische Keramik das Bariumtitanat entdeckt wurde, bildet das keramische Bleizirkonattitanat (PZT) immer noch das am häufigsten verwendete Material für die piezoelektrische Ernte.

Dort, wo Faktoren wie Flexibilität, geringes Gewicht oder sogar Bedenken aufgrund von Toxizität im Vordergrund stehen, wird die Aufmerksamkeit auf Alternativen wie beispielsweise Natrium-Kalium-Niobat gerichtet, dessen Eigenschaften dem PZT ähnlich sind, doch ohne bleihaltig zu sein, oder auf piezoelektrische Polymere, wie z.B. Polyvinylidendifluorid.

Ebenfalls im Januar 2013 berichten Kevin Magniez und seine Mitarbeiter, die sich aus Forschern der Deakin University in Victoria, der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) und der RWTH Aachen in Deutschland zusammensetzen, über die Entwicklung eines neuen Kraftsensors auf Basis von Fasern aus schmelzgesponnenem Polyvinyliden-Fluorid (PVDF), die eine Leistung zeigen, die mit der der besten Keramiksensoren vergleichbar ist, und die sich darüber hinaus in ein Textilmaterial  integrieren lassen.

Die aus einer heißen PVDF-Schmelze hergestellten Fasern werden anschließend bei 120°C auf 25 – 75 % ihrer ursprünglichen Länge gedehnt, um das Material aus der kristallinen Alpha-Phase zur piezoelektrischen Betaphase zu transformieren. Durch Parameteroptimierung gelingt es dem Team, Fasern mit einem piezoelektrischen Phasenanteil von bis zu 80 % zu schaffen. Diese Fasern werden dann in verschiedene Gewebe-Architekturen integriert, um flexible, zweidimensionale, textilbasierte piezoelektrische Kraftsensoren zu entwerfen.

Die piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit dieser Materialien ist vielversprechend. Bei einer Kraft von 70 Newton und einer Frequenz von 1 Hz wird eine maximale Ausgangsspannung von bis zu 6 V und eine durchschnittliche Empfindlichkeit von 55 mV/N gemessen.

Im Februar 2013 erhält die University of Bath in Großbritannien einen Zuschuß in Höhe von 2,27 Mio. € vom Europäischen Forschungsrat (ERC) für ein Fünf-Jahres-Projekt mit dem Titel NEMESIS, bei dem unter der Leitung von Prof. Chris Bowen ein neues Zentrum für Energy Harvesting eingerichtet werden soll, das auch bald weltweit führend werden will.

Das Zentrum zielt darauf ab, aus neuen Materialien piezoelektrische und ferroelektrische Energiegewinnungssysteme zu entwickeln, mit denen mechanische Schwingungen in elektrische Energie, thermische Fluktuationen in elektrische Energie, Sonnenlicht in chemische und elektrische Energie sowie Schwingungen in chemische Energie umgewandelt werden können. Daneben will man neue Methoden zur Wasserspaltung entwickeln

Um eine innovative Technologie voranzubringen, die durch Lijie Li von der Swansea University in Großbritannien erfunden worden ist, tun sich laut einer Meldung vom April 2013 das in London ansässige Entwicklungs- und Vermarktungs-Unternehmen für saubere Energien AltEnergis plc mit der Swansea Innovations zusammen, die für die Verwaltung und Verwertung des geistigen Eigentums verantwortlich ist, das sich im Besitz der Universität befindet.

Das neuartige Gerät für die Erfassung von piezoelektrischer Energie zeichnet sich durch eine besonders einfache Geometrie aus, die eine ,Isolierung der Kristalle’ ermöglicht, was die Leistung gegenüber piezoelektrischen Standard-Vorrichtungen um 100 % erhöhen soll. Details dazu werden allerdings nicht bekanntgegeben.

Auf der Homepage der AltEnergis wird 2016 davon gesprochen, daß sich bei der modifizierten Struktur, bei welcher die linke und die rechte Seite des Kristalls elektrisch isoliert sind, die erzeugten Spannungen summiert werden können, anstatt sich aufzuheben, wodurch die Möglichkeit besteht, Biege- und Torsionsbewegungen zu ernten, was wiederum 100 mal mehr Leistung als ähnliche Vorrichtungen erzielt. Das erste Produkt soll noch im Laufe des Jahres 2016  auf den Markt kommen.

Die nächste Meldung in der Chronologie betrifft wieder ein Design, das diesmal allerdings besonders groß ausfällt.

Im Mai 2013 stellt das Experimentalstudio der Firma Belatchew Arkitekter AB aus Stockholm, Schweden, ein neues Konzept vor, mittels einer ,haarigen’ Technologie Erneuerbare Energie zu schaffen. Unter dem Titel ,Strawscraper - ein städtisches Kraftwerk in Stockholm’ wird für das 1997 gebaute Söder Torn Gebäude mit seinen 25 Etagen eine Modernisierung vorgeschlagen, die sich auch auf den ursprünglichen Plan bezieht, dem zufolge das Bauwerk eigentlich 40 Stockwerke hoch werden sollte.

Neben dem Ausbau zu seinen ursprünglichen Proportionen durch einen kaminförmigen Hohlzylinder mit innenliegender Spiralrampe, soll eine Gebäudehülle aus piezoelektrischen Fasern Energie erzeugen, indem sich dünne, flexible Polymerstangen mit einem Kern aus piezoelektrischen Materialien elektrisch aufladen, während sie sich im Wind bewegen.

Als besonderer Vorteil dieser Technologie, die das Gebäude aussehen läßt, als ob es an den Boden des Meeres gehört, wird der geringe Lärm genannt. Außerdem sollen die langen, Anemonen-artigen Fasern schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten Energie erzeugen können. Und das Tier- und Vogelleben stören sie auch nicht.

Die tschechischen Architekten Bartłomiej Gowin und Tomasz Janus aus Krakau präsentieren wiederum im Juni 2013 mit ihrem Entwurf Hydro Aero Device einen autarken, kaminartigen Wolkenkratzer für Wüstengebiete, der mittels Kondensation Feuchtigkeit aus der Luft sammelt. Der Strom für die Kühlung der Kondenserrohre soll dabei durch die kinetische Energie des Aufwindes in dem zentralen Kamin erzeugt werden, wenn dieser auf die dort installierten leichten piezoelektrische Streifen trifft.

Das an den Innenwänden herunter rinnende Kondenswasser wird in einem zentralen Sammeltank gespeichert, ebenso wie die überschüssige Energie, die in Batterien landet, welche in den Konstruktionsträgern versteckt sind. In den unteren Stockwerken sollen zudem Büros, Werkstätten, ein Markt und eine Schule untergebracht werden.

Im August 2013 berichten die Fachblogs darüber, daß nun auch die japanische Firma Kyocera an einem Lautsprecher arbeitet, der auf einer Piezofolie basiert – ähnlich wie schon 2010 die weiter oben erwähnte koreanische Fils Co. Ltd.

Unter dem Titel Smart-Sonic Sound entwickelt Kyocera die ultra-dünnen, leichten Modelle speziell für Unterhaltungselektronik wie Fernseher, Computer und Tablet-PCs. Die mittlere von drei Größen ist 1 mm dünn und wiegt etwa 7 g bei einer 180° Klangqualität. Erstmals genutzt werden soll die innovative Piezo-Aktor-Audio-Technologie bei dem  neuen, gebogenen 55" OLED-Screen von LG Electronics.

Im Februar 2014 ist zu erfahren, daß das im Oktober 2011 durch Forscher der University of Leeds gegründete Spin-off-Unternehmen Ionix Advanced Technologies Ltd. eine nicht näher bezifferte Finanzierung von der IP Group plc erhalten hat, um die Kommerzialisierung einer Reihe von Geräten auf Basis piezoelektrischer Hochtemperatur-Materialien zu beschleunigen, welche an der Universität von Prof. Andrew Bell und seinem Team, mit anteiliger Förderung durch das Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), entwickelt worden waren.

Bisher war es nicht möglich, piezoelektrische Vorrichtungen extremen Bedingungen, wie hohen Temperaturen und Drücken, auszusetzen. Dies soll nun mit den neuen Materialien machbar werden, welche auch in Umgebungen arbeiten, in denen die herkömmliche Technik versagt: hohe Temperaturen, hohe Drücke, extreme Stöße und hohe Beanspruchung. Damit können z.B. Sensoren sogar innerhalb einer Gasturbine eingesetzt werden.

Die neuen Hochtemperatur-Materialien sind kompatibel mit den bestehenden Herstellungsverfahren für piezoelektrische Keramiken und können daher in Massen zu ähnlichen Kosten wie gängige Materialien produziert werden. Allerdings besitzen die Keramiken von Ionix neuartige Inhaltsstoffe wie Bismut und Eisen und haben eine stark erhöhte Toleranz. Die Firma zielt zunächst auf Anwendungen im Hochtemperaturbetrieb bis zu 500°C (später: 400°C). Bis zu einer Temperatur von 350°C bieten die neuen Keramiken ähnliche elektromechanische Eigenschaften wie PZT bei Umgebungstemperatur.

Das Fertigungszentrum der Firma kann die Materialien in einer Vielzahl von Geometrien produzieren, sowie im verschiedenen, einschließlich reduzierter und Null-Blei-Zusammensetzungen. Ionix stellt seine maßgeschneiderten und international zum Patent angemeldeten Materialien auch zur Verfügung, um die Charakterisierung und Standardisierung der Meßtechnik zu ermöglichen, die von dem EURAMET-finanzierten Projekt METCO (Metrology of Electro-Thermal Coupling) entwickelt wird.

Bei diesem Projekt, an dem von deutscher Seite auch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) teilnimmt, soll in Europa die messtechnische Infrastruktur und Einrichtungen für die nachvollziehbare Meßtechnik von piezoelektrischen, ferroelektrischen, thermischen und elektro-kalorischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und in elektrischen Feldern entwickelt werden. Die letzten Meldungen darüber datieren allerdings vom April 2015.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) berichten im Oktober 2014, daß sie ein Verfahren entwickelt haben, um Piezoelektrika hoher Qualität für kleinste Energy-Harvesting-Systeme wirtschaftlich herzustellen.

Gegenüber dem gängigen Blei-Zirkonat-Titanat (PTZ) bietet sich das bleifreie und biokompatible Aluminiumnitrid (AIN) durch günstigere mechanische Eigenschaften an. Bislang ließen sich die nötigen Schichtdicken mit AIN jedoch nicht herstellen, weshalb die Forscher ein Verfahren entwickeln, mit dem sehr homogene Beschichtungen und hohe Beschichtungsraten auf Siliziumwafern mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm erzielt werden. Dies geschieht durch reaktives Magnetron-Sputtern von Aluminiumtargets in einer Argon-Stickstoff-Atmosphäre.

In Kooperation mit der TU Dresden und der Universität Oulu in Finnland werden Versuche mit AlN-Schichten auf 1 x 6 cm großen Silizium-Streifen durchgeführt, bei denen Leistungen von mehreren hundert Mikrowatt erzielt werden. Noch höhere Piezokoeffizienten als AIN zeigten Schichten aus Aluminium-Scandium-Nitrid. Mit ihnen läßt sich theoretisch drei- bis viermal mehr Energie erzeugen.

Wie lange es noch dauern wird, bis diese Alternativen zu PZT zur praktischen Anwendungsreife gelangen, ist den Wissenschaftler zufolge noch nicht abzuschätzen.

Forscher um Prof. Kwang-Seok Yun am Micro & Nano Engineering Laboratory (MNELAB) der Sogang University in Korea stellen im Januar 2015 einen Energie-Harvester für Körperbewegungen vor, dessen hohe Flexibilität und Elastizität ihn besonders geeignet für die Integration in Stoffen machen.

Im Gegensatz zu den bestehenden Erntern, die zwar flexibel sind, aber nicht elastisch, da sie Kunststoffsubstrate verwenden, läßt sich das neue Design auf das 1,6-fache der normalen Länge ausdehnen, so daß es in einem großen Bereich der körperlichen Bewegungen verwendet werden kann. Der eingesetzte piezoelektrische Polymerfilm ist zwar selbst auch nicht elastisch. Statt dessen wird die Elastizität der endgültigen Struktur durch die Formgebung als Doppelschraubenfeder-Struktur erreicht.

Wie auf dem Foto zu sehen ist, besteht die einzelne Struktur aus einer Doppelhelix aus einem piezoelektrischen Polymerstreifen sowie Gewebeband um einen elastischen Kern als Trägermaterial. Luftspalten zwischen dem piezoelektrischen Film und dem elastischen Trägermaterial erlauben den beiden Materialien, sich relativ zueinander zu bewegen.

Aus den Versuchsergebnissen im Labor schließt das Team, daß eine 10 x 10 cm große am Körper getragene Anwendung mehrere Dutzend Milliwatt erzeugen sollte. Mit dem Ziel, eine Ausgangsleistung auf einige Hundert Milliwatt zu erhöhen, werden die Verbindung mehrerer Strukturen im Parallel- und Serienbetrieb sowie die beteiligten Energieumwandlungsprozesse analysiert. Zudem wird erwartet, daß der Output durch die Miniaturisierung der einzelnen Strukturen erhöht werden könnte, die mit etwa 4 mm im Durchmesser derzeit noch relativ dick sind.

Im März 2015 präsentiert die Firma Goodyear Tire & Rubber Co. auf dem Automobil-Salon in Genf einen neuen Konzept-Reifen, der zusätzlichen Strom für Elektrofahrzeuge erzeugen soll. Der von Ingenieuren des Goodyear Innovation Center Luxembourg entwickelte und nach seinem Entwicklungscode BH03 benannte Reifen kann entstehende Deformationen sowie Hitze in elektrische Energie umwandeln, die an die Akkus des Fahrzeugs sowie andere Bord-Technologien geleitet wird. Wie viel Strom die Reifen erzeugen, verrät Goodyear allerdings nicht.

Neben dem integrierten piezoelektrischen Material, das die aufgrund von Druck entstehenden Strukturdeformationen nutzt, fängt das ebenfalls eingebaute thermoelektrische Material die Hitze ein, die von der ultra-schwarzen Textur des Reifens im Stand durch Licht-/Hitze-Absorption und während der Fahrt durchs Rollen produziert wird. Die Materialien bilden ein 3D-Netz, das in einem inneren Gürtel untergebracht ist und als Träger fungiert, falls der Reifen Luft verliert, sodaß das Fahrzeug mit 80 km/h noch 80 km weit kommt, ohne daß der Reifen zerstört wird.

Darüber hinaus besitzt der Reifen einen großen umlaufenden Kanal, um die Aquaplaning-Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, sowie eine besondere, geräusch-absorbierende Lauffläche. Das Unternehmen plant aber nicht, den Reifen auf den Markt zu bringen... wobei man sich fragt, warum eigentlich nicht?

Übrigens hatte sich Google schon im Jahr 2001 einen ähnlichen Ansatz patentieren lassen, dessen Stromerzeugung jedoch auf Magneten und Spulen im Inneren des Reifens basierte ( US-Nr. 6.291.901, angemeldet 2000).

Ebenfalls im März 2015 berichten Prof. Gang Wang und sein Doktorand Felix Ewere von der University of Alabama in Huntsville (UAH) über eine piezoelektrische Umsetzung, die auf den Tuberkel genannten biologischen Strukturen basiert, welche Wale für ihre einzigartigen Manöver im Ozean verwenden. Diese Knötchen erhöhen den Auftrieb und reduzieren den Widerstand, wenn sich das Tier durch das Wasser bewegt.

Ewere macht eine mechanische Version der wellig aussehenden Struktur und befestigt diese an einem piezoelektrischen Energiewandler, der anschließend im Windkanal experimentell überprüft wird. Es stellte sich heraus, daß die Energy-Harvesting-Fähigkeit nicht erhöht werden kann – die Vorrichtungen aber als neue Art von Durchflusssensor dienen könnte, um die Luftstromgeschwindigkeit und -richtung zu messen.

So können UAV-Designer das Prinzip der ,galoppierenden Piezoelektrizität’ nutzen, um bessere Flieger zu entwerfen, indem sie piezoelektrische Sensoren überall an ihren Modellen plazieren um zu bestimmen, wie sie diese in den Fluidströmen der Luft verhalten. Darüber hinaus können die Geräte als Harvester an dem UAV selbst befestigt werden um Strom zu erzeugen und die Reichweite der Batterie zu verlängern.

Nach vier Jahren der Grundlagenforschung und der Miniaturisierung der Komponenten sucht Wang nun eine Finanzierung, um konkrete Anwendungen umzusetzen.

In einem weiteren Bericht, der in diesem Monat veröffentlicht wird, beschreiben Walter Voit von der University of Texas in Dallas (UT Dallas) und  Shashank Priya von der Virginia Polytechnic Institute and State University, wie Fasern aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) unter genau definierten Bedingungen zu produzieren sind, damit sie piezoelektrisch werden und Strom erzeugen, wenn sie gestreckt werden.

Das Team hatte einen Weg gefunden, um organische Nanostrukturen wie ,Buckyballs’ (Kohlenstoff-Fullerene, C60) und einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNT) in PVDF-Fasern zu integrieren und damit deren piezoelektrische Leistung zu verdoppeln. Die im Foto erscheinenden dunklen Punkte sind Buckyball-Cluster.

Die von der National Science Foundation (NSF) geförderte Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Energieerfassungs- und Motion-Control-Technologien auf Grundlage ,weicher’ Polymere, aus denen auch künstliche Muskeln konstruiert werden sollen.

Die Firma Boeing, die einen Teil der Forschung finanziert, interessiert sich dabei für die Energie, die von Flugzeugpassagieren erzeugt wird, wenn diese sitzen, aufstehen und sich in der Kabine bewegen oder ihre Sitze justieren. Damit soll die Deckenbeleuchtung gespeist werden – unter Beseitigung einiger Kabel, die wesentlich zum Gewicht der Jets beitragen.

Im April 2015 wird von einem Projekt berichtet, durch den Einsatz piezoelektrischer Materialien mechanische Spannungen zu vermeiden. Ein hohes Maß an mechanischer Belastung reduziert bekanntermaßen die Lebensdauer von Bauteilen, was für alle Arten von Materialien gilt. Wenn Spannungen mit Vibrationen kombiniert werden, haben sie einen besonders negativen Einfluß auf die Haltbarkeit.

Intelligente piezoelektrische Materialien, die solchen Einflüssen aktiv entgegenwirken, sind schon seit einigen Jahren verfügbar. Allerdings unterliegen auch die piezoelektrischen Materialien den Kräften, die ihre Haltbarkeit verringern.

Der Wissenschaftler Jürgen Schöftner an der Johannes Kepler Universität Linz, der dabei vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziert wird, will hier einen wichtigen Beitrag zur Optimierung machen, indem er eine Besonderheit von piezoelektrischen Materialien nutzt, bei denen selbst dann mechanische Spannungserhöhungen im Material auftreten können, wenn eine – durch externe Kräfte bewirkte – Deformation des Materials bereits abgeklungen ist. Über Ergebnisse der Arbeiten ist bislang noch nichts zu finden.

Im Mai 2015 erscheinen in der Fachpresse Meldungen über eine neue Entwicklung des japanischen Technologie-Unternehmens Ricoh Co. Ltd., die als Energy-Generating Rubber bezeichnet wird.

Der Firma zufolge wandelt das neue piezoelektrische Polymer Druck und Vibration mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie um, ist dabei aber äußerst flexibel und langlebig. Damit sollen die Defizite die piezoelektrischen Keramiken und Polymere überwunden werden: Piezokeramiken können wegen ihrer Zerbrechlichkeit und ihrem hohen Gewicht nur für eingeschränkte Zwecke verwendet werden, obwohl sie relativ viel Strom erzeugen – während piezoelektrische Polymere durch eine Verringerung der Dicke zwar eine gewisse Flexibilität erreichen, dabei aber nur sehr geringe Strommengen liefern.

Das Energieerzeugungs-Gummi von Ricoh erzeugt dagegen Strom auf dem hohen Niveau von Keramik, ist dabei aber eine weiche und flexible Folie. Haltbarkeitstests über mehrere Millionen Perioden bestätigen zudem die hohe Haltbarkeit. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Produzier- und Verarbeitbarkeit, die keine Hochtemperaturverfahren wie Keramik erfordern.

Da der Mechanismus des Piezo-Gummis nicht der gleiche ist, wie der vorhergehender piezoelektrischer Materialien, startet Ricoh in Zusammenarbeit mit Prof. Takahiro Yamamoto von der Tokyo University of Science eine Analyse auf molekularer Ebene unter Einsatz modernster Computerchemie. Damit will das Unternehmen die Erforschung der Technologie vorantreiben, um das Materials möglichst bald für verschiedene Zwecke vermarkten zu können.

In den Kommentaren zu dieser Meldung wird übrigens der sinnvolle Vorschlag gemacht, das neue Material mit dem o.e. Konzept-Reifen von Goodyear zu kombinieren.

Über eine Möglichkeit, wie man über die Tragflächen eines Flugzeuges Strom gewinnen kann, wird im Mai 2015 berichtet, als die Finalisten des Fly-Your-Ideas-Wettbewerbs von Airbus vorgestellt werden, bei dem revolutionäre Innovationen in der Luftfahrt mit einem Mentorenprogramm und Geld prämiert werden.

Das Team Multifun, das aus vier jungen Wissenschaftlern aus Großbritannien, den Niederlanden, Indien und den USA besteht, stellt ein funktionierendes Konzept vor, die Flügel von Flugzeugen mit einer piezoelektrischen Verbundwerkstoffhaut zu überziehen, welche aus den Vibrationen der Tragflächen Strom produzieren, der in speziellen Akku-Platten, die ebenfalls in den Tragflächen verbaut sind, zwischengespeichert wird.

Die gewonnene Energie soll Bordsysteme wie das Unterhaltungsprogramm oder die Beleuchtung versorgen und könnte sogar den gesamten Bodenbetrieb sicherstellen.

An biologisch inspirierten Maschinen, die so gut klettern können wie ein Gecko, arbeiten mehrere Gruppen schon seit langem. Die Grundlage dafür, daß die Echsen sogar kopfüber an Decken entlang laufen können, bilden die Millionen von langen, extrem dünnen, schaufelförmigen Gebilde an den Geckofüßen, die sich am Ende noch weiter verzweigen und als Setae bezeichnet werden. Die dadurch entstehende große Oberfläche gewährleistet dank der elektrischen Anziehung (Van-der-Waals-Kräfte) eine ausreichende Haftung.

Der große Vorteil einer solchen rein physikalischen Haftung: Anders als eine chemische läßt sie sich leicht wieder aufheben, was schnelle Bewegungen ermöglicht. Wenn ein Gecko sein Gewicht verlagert, haben die Setae weniger Kontaktfläche, so daß der Fuß problemlos wieder angehoben werden kann.

Nachdem eine Forschungsgruppe des Biomimetics and Dexterous Manipulation Lab (BDML) an der Stanford University im Jahr 2006 einen ,Stickybot’ gezeigt hatte, dessen Füße mittels spezieller Nanostrukturen ähnlich funktionieren wie die von Geckos, bekommt die Gruppe um den Ingenieur Mark Cutkosky Ende 2014 viel Presse, als eines ihrer Mitglieder mit speziellen Haftplatten an Händen und Füßen an einer Glasfassade hochsteigt. Die Unterseite der Platten besteht aus sehr feinen Härchen aus Gummi, die alle gleich ausgerichtet sind. Werden sie gegen eine Oberfläche gedrückt, krümmen sie sich und vergrößern so ihre Oberfläche.

Diese anisotrope Adhäsion funktioniert nur in eine Richtung. Wird eine Platte in die entgegengesetzte Richtung gezogen, reicht wenig Energie aus, um sie von der Oberfläche zu lösen.

Nun, im Mai 2015, stellt das Stanford-Team verschiedene Variationen von Mikrorobotern vor,  die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, angefangen von Festkörperaktoren bis hin zu Gedächtnislegierungen. Die MicroTugs (o. μTugs) genannten Winzlinge leisten dabei Beachtliches: Ein nur 12 g leichter piezoelektrischer Roboter zeigt die Fähigkeit, bis zum 2.000-fachen seines Eigengewichts über eine waagerechte Fläche zu ziehen, d.h. mehr als 20 kg. Dabei wechselt die Haftung bis zu 16 Mal pro Sekunde zwischen dem klebrigen und dem unklebrigen Stadium.

Die Variante für senkrechte Bewegungen wiegt 9 g und kann mehr als das Hundertfache davon mit sich tragen. Dies entspricht einem Menschen, der einen Wolkenkratzer hinauf klettert – mit einem Elefanten im Rucksack. Ein weiterer Mikroroboter, unter der Lupe gebaut und angetrieben von einem externen Wärmequelle, wiegt nur 20 mg, kann aber bis zu 500 mg eine vertikale Wand hinauf schaffen. Im März 2016 zeigt das Team, wie sechs Roboterameisen, die gerade einmal 100 g wiegen, durch Teamwork ein 1,8 t schweres Fahrzeug ziehen.

Im Dezember 2015 präsentieren die Blogs eine Innovation von Wissenschaftlern des Politecnico di Torino und des Massachusetts Institute of Technology unter der Leitung von Giorgio De Pasquale. Smarte Handschuhe haben ein großes Potential als Mensch-Maschine-Schnittstellenersatz für Joysticks und Mäuse. Die Herausforderung besteht darin, sie natürlich, intuitiv und effizient zu machen.

Das Team will mit seinem Modell Goldfinger diesem Ziel nun einen Schritt näher gekommen sein. Der Prototyp-Handschuh, der eine einfache Gestensteuerung verspricht, und dessen elektronischen und mechanischen Komponenten in das Gewebe selbst integriert sind, besitzt eine Eigenversorgung, die mit flexiblen piezoelektrischen Wandlern Strom aus Fingerbewegungen erzeugt.

Goldfinger verbindet sich drahtlos mit einem Computer oder anderen Geräten und arbeitet mit einfachen Gesten, die durch den Handschuh sowie eine optische Tracking-Software interpretiert werden, um verschiedene Maschinen und Anlagen zu steuern. Weitere Anwendungen sieht das Team in den Bereichen Industrie, Medizin und Virtual-Reality. Technische Details über die eingesetzten piezoelektrischen Wandler sind bislang nicht zu erfahren.

Die Südafrikanerin Charlotte Slingsby stellt im Februar 2016 am Royal College of Art in London ein semitransparentes und extrem leichtes Textil vor, das leichte Luftbewegungen in elektrische Energie überführen kann. Unter dem Namen Moya Power, was in der Bantu-Sprache Xhosa Wind bedeutet, zeigt sie eine Struktur aus etwa 15 cm langen Fransen, die aus dem Fluorkunststoff PVDF bestehen, der einen starken piezoelektrischen Effekt aufweist.

Da Tests im Windkanal ergeben, daß Moya im Flächenvergleich nur rund 10 % der Energiemenge konventioneller Solarpaneele generiert, sieht die Designerin ihr ,Wind Harvesting Sheet’ als ergänzende Technologie für noch ungenutzte Flächen wie z.B. U-Bahn-Schächte. Weitere Anwendungsszenarien sind an städtischen Frischluftschneisen wie großen Straßen oder Flüssen denkbar.

Slingsby Suche nach Investoren stellt sich jedoch als schwierig dar, da die hohen Kosten und eine Entwicklungszeit von bis zu 10 Jahren viele potentielle Geldgeber abschrecken. Wobei allerdings nicht klar ist, weshalb eine derart lange Zeitspanne genannt wird.

Auf der im Juni 2016 beginnende Ausstellung der Land Art Generator Initiative (LAGI) in Glasgow, Schottland, werden drei verschiedene und einzigartige Designs gezeigt, die sich mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien beschäftigen.

Während Wind Forest von Peter Foster Richardson (ZM Architecture, Glasgow) und den schottischen Umwelt-Künstlern Matthew Dalziel und Louise Scullion einen künstlichen Wald aus 100 Stück der blattlosen 4 kW Windkraftanlagen des spanischen Start-ups Vortex Bladeless umfaßt (siehe dazu unter Neue Designs und Rotorformen, 2015 in Arbeit), ist Watergaw eine gemeinsame Arbeit des in Glasgow ansässigen ERZ Studio, zusammen mit dem schottischen Künstler Alec Finlay und dem in Berlin lebenden Künstler Riccardo Mariano, bei der es primät um die Ressource Wasser geht. Neben einer Mikro-Hydro-Turbinenanlage im Monkland-Kanal soll aber auch eine Reihe von sieben kleinen Vertikalachsen-Windkraftanlagen installiert werden.

Das interessanteste LAGI-Projekt ist allerdings Dundas Dandelions, das aufgrund seiner Ähnlichkeit mit einer Kugel aus weißen Löwenzahn-Samen so genannt wird, die darauf warten, mit dem Wind wegzufliegen.

Das Konzept der lokalen Firmen Stallan Brand Architectural Design und Pidgin Perfect,  dem Glasgow Science Festival und der Universität Glasgow, das mit Unterstützung von M-Rad Architects aus Kalifornien umgesetzt werden soll, ist ein Konglomerat aus verschiedenen Modellen von Windkraftanlagen, kinetischen Generatoren und piezoelektrischen Scheiben, die konzertiert zusammenarbeiten, um pro Jahr 500 MWh saubere Energie zu produzieren. Leider gibt es in diesem Fall noch keine technischen Details zu erfahren.

Zum Abschluß noch der Hinweis darauf, daß es inzwischen auch schon diverse Produzenten von piezoelektrischen Materialien und Geräten gibt. Als Beispiele sollen hier die Firma LORD MicroStrain Sensing Systems in Williston, Vermont, genannt werden, die piezoelektrische Energy Harvester für Nischenanwendungen wie die die Gesundheitsüberwachung oder die Zustandsüberwachung von Rotorblättern bei Hubschraubern herstellt – sowie die Firma Johnson Matthey Piezo Products GmbH in Redwitz, Deutschland, eine Tochter des Herstellers von Spezialchemikalien und für modernste Werkstoff-Technologien Johnson Matthey PLC mit Sitz in London.

Dieses Unternehmen entwickelt, fertigt und vertreibt seit über 40 Jahren weltweit Piezokeramiken, Bauelemente, Zerstäuber und Piezo-Systeme mit elektronischen und mechanischen Komponenten. Die Produkte finden ihre Anwendungen hauptsächlich in der Industrie, in Textilmaschinen, im Automobil und in medizinischen Geräten. Bei Piezo-Biegewandlern gilt Johnson Matthey als Weltmarktführer.

Konkrete Umsetzungen der Piezoelektrizität finden sich auch unter Schall, Regentropfen, Straßengeneratoren und Vibration. Über radioaktive piezoelektrische Generatoren spreche ich im Kapitel Energiespeicherung unter Nuklearbatterien (s.d.).

Pieozoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte

Eine besondere Wichtigkeit im Bereich des Micro Energy Harvesting haben piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte (ZnO) erlangt, weshalb diese Technologie im Folgenden gesondert behandelt wird. ZnO-Nanostrukturen eignen sich besonders gut als Nanogenerator-Funktionselemente, und zwar dank ihrer zahlreichen Vorteile, einschließlich der Transparenz, der bleifreien Biokompatibilität, der Nanostruktur-Formbarkeit, der chemischen Stabilität und den gekoppelten piezoelektrischen und Halbleitereigenschaften.

Als vermutlich erste stellen Prof. Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, und sein Team im Jahr 2006 pieozoelektrische ZnO-Nanodrähte vor, die durch zyklisches Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potentiale auf- und abbauen. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluß mit einer oszillierenden Ausgangsspannung von bis zu 50 mV, wobei bis zu 6,8 % der aufgewendeten mechanischen Energie in Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Erprobung des Konzepts dient ein Generator mit 200 – 300 µm langen Drähten.

Die 1999 begonnene Entwicklung dieser ‚flexiblen Ladungspumpe’ kann Nanomaschinen ermöglichen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Zudem sei die Neuentwicklung auch wesentlich zuverlässiger als die bisherigen mit Nanodrähten hergestellten Generatorsysteme, die aus Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten bestanden. Dies habe nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System dagegen setzt auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt ist.

Im April 2007 meldet die Presse, daß es dem Team in Atlanta inzwischen gelungen sei, auf der Nano-Ebene erfolgreich mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür wurde ein Gleichstromgenerator aus piezoelektrischen ZnO-Nanodrähten konstruiert, der mit Ultraschall betrieben wird. Die Drähte sind 40 nm dick und 1 µm lang.

Die Stromerzeugung erfolgt, indem die Felder aus Nanodrähten mit einer platinbeschichteten Zick-Zack-Elektrode aus Silizium abgelenkt werden. Drückt diese Elektrode auf einen Draht, so wird dieser seitlich ausgelenkt. Dadurch entstehen auf den beiden Seiten des Drahtes mechanische Zug- und Druckspannungen, die positive bzw. negative elektrische Potentiale aufbauen.

Im Februar 2008 berichten die Wissenschaftler des Georgia Tech über die Entwicklung eines energieerzeugenden Stoffes, der sich für Kleidungen ebenso wie für Zeltplanen u.ä. eignet. Die hybride Struktur, die aus Kevlar-Fasern besteht, auf denen radial ZnO-Nanodrähte gezüchtet wurden, sei besonders gut geeignet um Vibrationen und Reibungsenergie niedriger Frequenzen (also unter 10 Hz) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Forscher kombinierten hierfür den piezoelektrischen mit dem Halbleitereffekt. Die Zinkoxid-Beschichtung des Mikrofiber-Nanogenerator-Gewebes verliert allerdings stark an Wirksamkeit, sobald sie naß wird.

Die zum Einsatz gebrachten einkristallinen Nanodrähte haben eine sechseckige Grundfläche mit 50 - 200 nm Durchmesser und sind rund 3,5 µm lang. Die Strukturen werden mit zwei Schichten aus Tetraethoxysilan stabilisiert, wodurch die eigentliche Faser biegbar bleibt, ohne daß die ZnO-Drähtchen dabei verletzt werden. Ein zweiter, in Gold getauchter Kevlar-Faden biegt einerseits die ZnO-Nanodrähte, so daß es zu einer piezoelektrischen Ladungstrennung kommt, und ruft andererseits durch den Gold-Zinkoxid-Kontakt eine auf dem Halbleitereffekt beruhende Ladungstrennung hervor. Über die goldbesetzte Elektrode können die gewonnenen Ladungen dann abfließen und genutzt werden.

Die Forscher schätzen, daß sich aus 1 m² des derart aufgebauten textilen Materials etwa 20 – 80 mW gewinnen lassen. Während bei den Laborversuchen die Fäden gezielt gegeneinander gedreht wurden, könnte in der Natur etwa der Wind diese Aufgabe übernehmen.

Für die entsprechend ausgerüstete Kleidungsstück ist auch schnell ein neuer Begriff gefunden: das Power-Shirt. Wenn ein Quadratmeter dieses Stoffes bis zu 80 mW Strom erzeugen kann, dann reicht dies vollkommen aus um elektronische Kleingeräte wie Handys oder Sensoren zu versorgen. Denkbar sind ferner Gardinen, die allein durch leichte Bewegungen im Wind zum Stromerzeuger werden – oder Zelte, deren Außenhaut dann die tragbare Elektronik und Beleuchtung im Inneren versorgt.

Im November 2008 meldet Wangs Gruppe die Entwicklung einen neuen Generators mit einem oszillierenden Output von 45 mV und einem Wirkungsgrad von knapp 7 %. Und schon Anfang 2009 können die Wissenschaftler demonstrieren, daß sich ihr Nanogenerator auch durch irreguläre biologische Bewegungen mit geringem Energiegehalt – etwa von einem Hamster – betreiben läßt. Diesem wird dabei eine kleine ‚Jacke’ angezogen, in welcher der Nanogenerator steckt, der bei 70 mV rund 1 nW leistet, sobald der Hamster in seinem Laufrad losrennt.

Die Forscher hoffen nun, das Stromerzeugungspotential innerhalb der nächsten drei Jahre soweit zu steigern, daß der Generator dann effektiv genug ist um in Gewebe eingenäht zu werden, aus dem man Kleidungsstücke fertigt. Dann könnte ein Mensch alleine durch seine Bewegungen seine tragbaren elektronischen Geräte aufladen.

Im April 2009 wird über eine Kooperation des Georgia Tech-Teams mit Prof. Xudong Wang von der University of Wisconsin-Madison berichtet. Dabei geht es um die Entwicklung eines hybriden Nanogenerators, der neben der Vibration auch die Sonnenenergie nutzen kann. Gearbeitet wird an einer Kombination aus Grätzel-Zelle (s. Abb. oben) und Nanogenerator (Abb. unten), die beide auf ZnO-Nanodrähten beruhen und auf dem gleichen geschichteten Silizium-Substrat sitzen.

Die oberste Schicht besteht hierbei aus einer Dünnschicht-Solarzelle, in der mit Farbstoff beschichtete ZnO-Nanodrähte eingebettet sind, während die untere Schicht den Nanogenerator enthält. Die große Oberfläche der Nanodrähte steigert dabei die Licht-Absorption, eine Entwicklung, die auf der Arbeit von Peidong Yang, Professor für Chemie an der University of California, Berkeley, basiert.

An der Unterseite des Siliziums befindet sich ein unregelmäßiges Gitter aus Polymer-beschichteten ZnO-Nanodrähten mit verzahnter Struktur, ähnlich der oben beschriebenen Zick-Zack-Elektrode von 2007. Sobald das Gerät Vibrationen ausgesetzt ist, kratzen diese ‚Zähne’ gegen eine darunterliegende Anordnung von vertikal ausgerichteten ZnO-Nanodrähten, was zur Schaffung des elektrischen Potentials führt.

Im Oktober 2009 legt Prof. Wang nach: Sein Team zeigt erstmals Nanosensoren, die keine zusätzlichen Energieerzeuger benötigen. Diesmal verwenden die Forscher einen vertikalen ZnO-Draht mit einem Durchmesser von 25 nm, um einen Feldeffekt-Transistor zu schaffen.

Die nächste Meldung stammt vom März 2010, als weiter verbesserte Sensoren im Nanomaßstab vorgestellt werden, deren winzige Generatoren aus Tausende von eingebetteten Nanodrähten bestehen, die in 700 Reihen angeordnet sind. Damit werden eine Spitzenspannung von 1,26 V und eine maximale Leistungsdichte von 2,7 mW/cm³ erreicht.

In einer weiteren Veröffentlichung im Oktober berichtetet eine der Wang-Gruppen über eine neue Technik zur Herstellung von piezoelektrischen Nanodrähten aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), was bisher schwierig war, da deren Heranzüchten Temperaturen von 650°C erforderlich machte. Mit einem als hydrothermaler Zerfall bekannten Verfahren, das bei nur 230°C abläuft, gelingt erstmals das chemische Epitaxie-Wachstum von vertikal ausgerichteten, einkristallinen Nanodraht-Arrays aus PZT auf einer Vielzahl von leitenden und nichtleitenden Substraten.

Mit den PZT-Nanodrähten als alternatives Materialsystem – obwohl dessen Leistung geringer als die von Zinkoxid ist – und einer Gleichrichterschaltung kann eine kommerzielle Laserdiode mit Strom versorgt werden.

Parallel dazu melden andere Gruppenmitglieder in einer eigenen Publikation Fortschritte bei der Leistungssteigerung der Nanogeneratoren. Ihr Ansatz, genannt ,skalierbarer Kehrdruck’ (scalable sweeping printing) umfaßt ein zweistufiges Verfahren: 1. das Übertragen vertikal ausgerichteter ZnO-Nanodrähte auf ein Polymersubstrat, um horizontale Anordnungen zu bilden, und 2. das Aufbringen von parallelen Streifenelektroden, um alle Nanodrähte miteinander zu verbinden.

Bei Verwendung einer einzelnen Schicht dieser Struktur werden eine Leerlaufspannung von 2,03 V erzeugt, während die maximale Ausgangsleistungsdichte etwa 11 mW/cm³ beträgt. Nun hofft das Team, innerhalb von fünf Jahren zu anwendungsreifen Produkten zu gelangen.

Im November 2010 wird ein Durchbruch gemeldet. Gezeigt wird ein flexibler Chip, der Strom erzeugt, wenn er zwischen zwei Fingern zusammengedrückt wird. Durch Vereinfachung des Designs, eine robustere Ausführung und die Integration viel mehr Nanodrähten ist der Nanogenerator mit seinen 3 V und bis zu 300 nA leistungsfähig genug, um Flüssigkristallanzeigen, Leuchtdioden und Laserdioden zu betreiben. Damit ist der aktuelle Nanogenerator fast 100 mal stärker als der von vor einem Jahr.

Das Team arbeitet jetzt daran, die Spannung 150 mal zu steigern, so daß der Chip auf bei Anwendungen im täglichen Leben funktioniert und MP3-Player oder andere kleine tragbaren Geräte aufladen kann. Dann könnten auch z.B. Umweltsensoren vom Wind, und Geräte der medizinischen Industrie wie Insulinpumpen von Herzschlägen angetrieben werden.

Im Jahr 2011 wird über die Entwicklung des ersten, durch Vibration selbstversorgenden Nano-Geräts von 1 cm² Größe berichtet, das 10 V und 0,6 µA produziert, die Energie in einem eingebauten Kondensator speichert, und diese anschließend nutzt, um die Leistungselektronik einschließlich eines Infrarot-Sensors und eines Funksenders zu versorgen, der Daten über die relativ große Entfernung von mehr als 9 m übertragen kann.

Um genügend Energie zur  Übertragung des Funksignals zusammen zu bekommen, sind nur drei Zyklen des Nanogenerator erforderlich, zum Betrieb des Sensors dagegen 1.000 Zyklen, die sich in einer ,Hoch-Streß-Umgebung’ jedoch ziemlich schnell addieren.

Wang, der schon 28 Patentanmeldungen getätigt hat, erhält im November eine Medaille der Materials Research Society. Seine Forschungen werden im übrigen von der National Science Foundation, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem U.S. Department of Energy und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gefördert. Bereits im Dezember, als Ergebnis stetiger Verbesserungen, produzieren Arrays verbundener Nanogeneratoren bereits 30 V.

Im Juni 2012 stellen Wang und Kollegen ein neues Gerät vor, das auf dem Phänomen der Pyroelektrizität basiert. Der pyroelektrische Nanogenerator kann Wärme in Strom umwandeln und wird deshalb in dem entsprechenden Kapitelteil behandelt (s.d.). Auch in diesem Fall kommen Nanodrähte aus Zinkoxid zum Einsatz. Und obwohl der umtriebige Wang wieder einmal Anspruch auf eine Erstmaligkeit erhebt, hat ein gemeinsames Team von Wissenschaftlern des V. Loshkarev Instituts für Halbleiterphysik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine und des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee bereits im September 2010 ein pyroelektrisches Verfahren vorgestellt, bei dem ferroelektrische Nanodrähte eingesetzt worden sind.

Der hybride Nanogenerator, der bereits April 2009 vorgestellt worden ist, kommt im Mai 2013 nochmals in die Presse. Vermutlich, weil der besondere Vorteil dieser Hybrid-Zelle ist, daß die Solarenergie allein zwar hohe Spannungen produziert, aber nicht für Geräte geeignet ist, die im Dunkeln verwendet werden, während Energie aus der Umgebungsbewegung beständiger angeboten wird, aber nur in einem kleineren Maßstab zur Verfügung steht. Durch die Kombination dieser Quellen kann dagegen eine äußerst zuverlässige Versorgung mit Strom gewährleistet werden.

Im August 2013 berichten die Fachblogs über einen neuen LED-Sensor,  der ein hochauflösendes Bild – und gleichzeitig seine eigene Energie und sein eigenes Licht erzeugt, wenn er gedrückt wird. Wang liefert auch gleich den passenden Namen dafür: Piezo-Phototronics. Er soll das Prinzip erstmals im Jahr 2009 beschrieben haben. Der Sensor basiert auf ZnO-Nanodrähten, die auf einem Gallium-Nitrid-Film (GaN) zum wachsen gebracht werden, was keine extreme Hitze erfordert.

Während die Böden der Nanodrähte in dem Film verankert sind, werden die Zwischenräume mit einem transparenten Thermoplasten gefüllt (Acrylglas). Um überschüssiges Thermoplast zu entfernen und die Spitzen der Nanodrähte freizulegen, wird Sauerstoffplasma verwendet. Eine Nickel-Gold-Elektrode komplettiert den unteren Kontakt, und ein dünner Film aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) dient als die gemeinsame Elektrode an der Oberseite.

Unter Belastung wird eine piezoelektrische Ladung an beiden Enden der Drähte geschaffen, die ein piezoelektrisches Potential bildet. Das Vorhandensein des Potentials verzerrt die Bandstruktur in dem Draht, so daß Elektronen länger in dem p-n-Übergang bleiben und die Effizienz der LED erhöht wird. Dabei ist die Effizienzsteigerung in der LED proportional zur Dehnung.

Das neue Prinzip der Bildgebung verwendet parallele Detektion, wobei das Feld der Nanodrähte ein Bild in Pixeln mit einer Auflösung von bis zu 6.300 dpi erzeugt. Wenn auf dem Feld geschrieben oder es auf andere Weise gedrückt wird, reagieren die Nanodrähte sofort auf den Druck und erzeugen Licht. Sobald der Druck nachläßt, schalten sie auch schnell wieder aus. Um  hin und her zu wechseln benötigen die Nanodrähte 90 Millisekunden oder weniger.

Die Nanogeneratoren von Wang und seinem Forschungsteam tauchen im Juni 2014 ein weiteres mal in der Presse auf – diesmal in Verbindung mit dem Konzept eines Land-Art-Parks in Dänemark, in welchem die Windenergie ganz ohne aufwendige Rotoren Strom erzeugen soll.

Das Projekt der Desiger Julio Alejandro Romero Alonso und Miguel Ángel López Carro aus Madrid trägt den Titel Windwaker ist für die ehemalige Industrielandschaft des Seehafen Kopenhagens gedacht, die dadurch zu einem neuen Bezugspunkt für den Tourismus, die Bürger und die Erneuerbaren Energien werden soll.

Alonso und Carro stellen sich eine Säulenstruktur aus Masten vor, die mit ihren hohen, dem Wind ausgesetzten Segeln einen neuen dynamischen Horizont schaffen. Um den Park auch in der Nacht zugänglich zu machen, gibt es Licht von den Basen der Masten. Die von Wang und seinem Forschungsteam entwickelten Nanogeneratoren sollen die hierfür nötige Energie sorgen, indem sie in die Segel eingearbeitet werden. Bislang ist aber nichts davon bekannt, daß das Projekt auch verwirklicht wird.

Doch Wang ist nicht der einzige, der sich mit piezoelektrischen Nanodrähten beschäftigt.

Schon im November 2007 präsentiert auch ein Forscherteam der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) Nanodrähte, die in Reaktion auf Ultraschallvibrationen Gleichstrom produzierten.

Die Wissenschaftler der UIUC gehören zu den ersten, die hierfür Bariumtitanat verwenden. Sie weisen nach, daß es ausreicht, Vibrationen an einen einzelnen Nanodraht anzulegen, um bereits einen kleinen Energieoutput zu erzielen. Während sich bei der Nutzung von Bariumtitanat größere Spannungen als bei Zinkoxid generieren lassen, ist letzteres wiederum für biologische Systeme ungiftig und eignet sich daher besser für Implantate.

Zum Betrieb des UIUC-Nanogenerators können Ultraschall, mechanische Vibrationen oder die Strömung von Arterienblut genutzt werden. Pro Kubikzentimeter sollen bis zu 4 W generiert werden.

Das Konzept einer interessanten Umsetzung für ZnO-Nanodrähte bildet die Veos-Kugel des Designers Joe Brussel, die im Mai 2009 in den Blogs vorgestellt wird. Es handelt sich um einen Waschmittel-Dispenser mit Energie-Rückgewinnung, den man einfach mit dem Rest der Wäsche in die Waschmaschine packt.

Während der Waschzyklen wandelt ein inneres, frei schwingendes Geflecht aus Nanodrähten die mechanische Energie in Strom um. Die geerntete Elektrizität soll dann wieder in das Netz zurück gespeist werden. Es ist meines Erachtens allerdings äußerst fraglich, ob sich der Aufwand an dieser Stelle wirklich lohnt.

Im Februar 2010 stellt ein internationales Forschungsteam ab der University of California, Berkeley um Prof. Liwei Lin neuartige Faser-Nanogeneratoren vor, die eines Tages als Energiefänger in die Kleidung und Textilien gewebt werden könnten, um die normalen Körperbewegungen zu nutzen und mobile elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

Da die Nanofasern aus organischen Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt sind, sind sie flexibel und relativ einfach und billig herzustellen. Außerdem sind sie weniger spröde als Nanogeneratoren aus anorganischen Halbleitermaterialien wie Zinkoxid oder Bariumtitanat und lassen sie auch leichter in signifikanten Mengen kultivieren.

Die winzigen Nanogeneratoren haben einen Durchmesser von 500 nm und damit etwa ein Zehntel der Breite normaler Textilfasern. Werden sie gezerrt oder gedrückt, erzeugen sie 5 – 30 mV und 0,5 – 3 nA. Auch nach dem Dehnen und Loslassen der Nanofasern über 100 Minuten lang bei einer Frequenz von 0,5 Hz wird keine merkliche Verschlechterung festgestellt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad beträgt 12,5 %, als Spitzenwert werden 21,8 % erreicht, die sich wahrscheinlich weiter erhöhen lassen. Je kleiner die Faser ist, desto besser die Energieeffizienz, wo die Grenze liegt, ist noch nicht bekannt.

Um die polymeren Nanogeneratoren zu schaffen und 50 µm auseinander in einem Gittermuster zu positionieren, verwendet das Team die neuartige Nahfeld-Elektrospinntechnik (near-field electrospinning), eine Technologie, die eine bessere Kontrolle der Platzierung der Nanofasern auf einer Oberfläche ermöglicht. Dadurch können die Forscher die Faser-Nanogeneratoren so ausrichten, daß sich die positiven und negativen Pole an entgegengesetzten Enden befinden, ähnlich den Polen einer Batterie. Ohne diese Kontrolle könnten sich die negativen und positiven Pole gegenseitig aufheben und eine Verringerung der Energieeffizienz bewirken. Zudem lassen sich mit diesem Verfahren Nanogeneratoren auf alle Arten von Oberflächen drucken, einschließlich Textilien.

Koreanische Forscher um Sang-Woo Kim von der Sungkyunkwan University und Jae-Young Choi vom Samsung Advanced Institute of Technology berichten im Mai 2010 über ihre Entwicklung eines hauchdünnen Films aus Nanogeneratoren, der Touch-Screens zu Energiequellen machen soll. Der Film besteht aus biegsamen, transparenten Elektroden und einem energiesammelnden Material.

Bei ihrem Demonstrationsobjekt verwenden die Wissenschaftler zahllose piezoelektrische Nanostäbchen, die zwischen zwei äußerst leitfähigen Elektrodenschichten aus Graphen liegen.

Das Piezo-Energie-Sandwich wird hergestellt, auf einem nickelbeschichteten Silizium-Untergrund mittels chemischer Dampfablagerung Graphen aufwachsen gelassen wird. Nach einem Ätzverfahren, um die Graphenschicht vom Silizium abzulösen, wird eine Plastikfolie darüber gerollt, an der das Graphen haftet. Anschließen wird die Graphen-Folie in ein chemisches Bad mit einer Zinkverbindung getaucht und auf 95°C erhitzt, wbei sich auf dem Graphen winzige, parallel ausgerichtete Stäbchen aus Zinkoxid ablagern. Zum Abschluß wird eine weitere Graphenfolie darübergelegt.

Pro Quadratzentimeter erzeugt die Generatorschicht eine Leistung von 20 nW. In größeren Prototypen von 200 cm² Fläche kann sogar eine Leistung von 1 µW pro Quadratzentimeter erreicht werden. Die Forscher betonten zudem, daß das Verfahren zur Herstellung der Nanogeneratoren auch auf große Produktionsanlagen übertragbar sei, so lasse sich der Film beispielsweise kostengünstig im Rotationsdruck aufbringen. Bis ein marktfähiges Produkt entstehe, seien aber noch mindestens fünf Jahre Entwicklung nötig.

Bereits im August 2010 ist zu erfahren, daß das koreanisches Forscherteam, in dem zwischenzeitlich auch Young Jun Park vom Samsung Advanced Institute of Technology mitarbeitet, dabei ist ein schallbetriebenes Handy zu entwickeln, für welches ein Feld aus ZnO-Nanodrähten geschaffen wird, das ebenfalls zwischen zwei Elektroden eingebettet ist (s.d.).

Ebenfalls im August 2010 melden die Forscher Florian Mumm und Pawel Sikorski von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim, daß sie davon ausgehen, in der schillernden Seemaus (Aphrodita aculeata), die zu den vielborstigen Ringelwürmer zählt, den Schlüssel zu einer neuen Art und Weise gefunden zu haben, 100 mal längere Nanodrähte zu produzieren, als was die bestehenden Methoden ermöglichen – und dies für einen Bruchteil des Preises.

Nanodrähte sind die Grundlage einiger farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von Zinkoxid, sowie von piezo- und thermoelektrischen Energy-Harvesting-Materialien. In der Natur ist die Herstellung komplexer 3D-Baugruppen auf der Nanometerskala allgemein verbreitet, da genau gesteuerte Nanostrukturen für alle lebenden Organismen essentiell sind.

In ihrem Projekt nutzen dies Mumm und Sikorski, indem sie die natürlich erzeugten Nanokanal-Gitter als Vorlagen verwenden, um Nanoröhrchen und Nanodrähte herzustellen. Diese Nanokanalstrukturen sind Teil der in allen Regenbogenfarben schillernden Borsten der Seemaus. In Folge ihres Wachstumsprozesses sind die Borsten durch lange Kanäle durchdrungen, wobei das Tier zwei Arten von Borsten (Seta bzw. Setae) entwickelt: Haare mit einem Durchmesser von etwa 10 µm und Dorne mit einem Durchmesser von bis zu 500 µm, die beide aus einem Chitin/Protein-Verbundmaterial bestehen.

Es zeigt sich, daß sich die Hohlkanäle tatsächlich als Formen nutzen lassen, wobei die Nanofabrikations-Schablonen durch Einbetten modifizierter Seemaus-Stacheln in ein Polymer (Polydimethylsiloxan) und Epoxid gebildet werden, so daß sich die geöffneten Nanokanäle durch das Polymer erstrecken.

Und während herkömmliche Nanodrähte teuer in der Herstellung sind und spezialisierte Einrichtungen benötigen, besteht der wesentlich einfachere Ansatz der norwegischen Wissenschaftler daraus, Setae toter Seemäuse zu nehmen, an einem Ende eine geladene Goldelektrode anzulegen und dann vom anderen Ende Kupfer oder Nickel-Ionen in die Hohlkanäle zu feuern. Diese werden von der Ladungsplatte angezogen, füllen das Röhrchen und wachsen zu Nanodrähten heran. Im Gegensatz zu den höchstens 0,2 mm Länge, die in der Regel bei Nanodrähten erreicht werden, gelingt es nun, bis 2 cm lange Drähte wachsen zu lassen.

Im April 2011 berichten die Fachblogs über ein aus Hannah Clevenson, Olivia Lenz und Tanya Miracle bestehenden Studententeam, das im Rahmen des Student Flight Opportunities Program am Johnson Space Center der NASA in Houston an einen Raumanzug arbeiten, der die Energie der Astronauten nutzt, um seine Elektronik zu betreiben.

Das Programm bietet Teams von Studenten die Möglichkeit, Experimente vorzuschlagen, zu konzipieren, herzustellen und auf einem speziellen Flugzeug bei reduzierter Schwerkraft (Mikrogravitation) zu testen. Der Flieger macht parabolisch Bögen – eine Reihe von steilen Anstiegen, denen ebenso steile Sinkflüge folgen –, die kurze Phasen reduzierter Schwerkraft zur Folge haben.

Im Experiment untersucht das Teams die Eigenschaften von ZnO-Nanodrähten, die in Schwerelosigkeit erzeugt worden sind, und vergleicht die Ergebnisse mit den Eigenschaften von im Labor hergestellten Nanodrähten, wobei sich die Studenten insbesondere für die Auswirkungen der reduzierten Schwerkraft auf die Morphologie der Proben interessieren. Bislang sei nur wenig Forschung auf dem Gebiet des Nanodrahtwachstums in Schwerelosigkeit geschehen. Dabei ist es denkbar, daß hier längere und geradere Nanodrähte, sowie größere Mengen davon erzeugt werden könnten.

Weitere Neuigkeiten über den Einsatz von Zinkoxid für winzige Energie-Harvester gibt es im Januar 2015, als eine Gruppe von Forschern des Korea Advanced Institute of Science inspiriert und Technologie (KAIST) um Prof. Giwan Yoon über ihre Entdeckung berichten, daß das Einfügen isolierender Schichten aus Aluminiumnitrid (AlN) in piezoelektrische ZnO-Nanostäbchen- oder Nanodraht-Arrays zu einer signifikanten Verbesserung der Leistungsfähigkeit führt, unabhängig von Schichtdicke und/oder Schichtposition in den Geräten.

Die Leistung der Ausgangsspannung und Polarität scheinen aber von der relativen Position und der Dicke der  gestapelten ZnO/AlN-Schichten abhängen, was aber noch weiter untersucht werden muß.

Piezomagnetismus

Beim Piezomagnetismus (o. piezomagnetischer Effekt) handelt es sich um die Erzeugung einer Magnetisierung durch eine mechanische Spannung.

Der in einigen antiferromagnetischen Kristallen auftretende anisotrope, lineare Effekt ist analog zum piezoelektrischen Effekt und wird durch ein Fehlen von bestimmten Symmetrieelementen in einer Kristallstruktur ermöglicht.

Die erste experimentelle Beobachtung von Piezomagnetismus in den Fluoriden von Kobalt und Mangan erfolgte im Jahr 1960 durch A. S. Borovik-Romanov in der damaligen Sowjetunion.

Über Anwendungen im Bereich des Micro Energy Harvesting habe ich bislang noch nichts finden können.

Regentropfen

Anfang 2008 stellen Französische Forscher um Jean-Jacques Chaillout vom Minatec-Innovationszentrum der Atomenergiebehörde CEA in Grenoble einen Mikro-Generator vor, der aus der Wucht aufprallender Regentropfen Strom erzeugen kann.

Hauptkomponente ist eine nur 25 µm dünne Oberfläche aus dem piezoelektrischen Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF), der auf Druck hin eine elektrische Spannung aufbaut.

Die nur wenige Quadratzentimeter großen Versuchsmodule erbringen bereits eine Leistung bis zu einigen Tausendstel Watt, was beispielsweise ausreicht um autonome Sensoren mit Energie zu versorgen. Durch Simulationen wird ermittelt, daß ein einziger großer Regentropfen eine potentielle Ausbeute von bis zu 12 mW besitzt.

Die Idee wird Ende 2008 von dem Designer Sang-Kyun Park aufgegriffen, der aus der PVDF-Folie (logischerweise) einen Regenschirm herstellt, dessen Stromertrag auch gleich in eingebaute LEDs fließt, um den Schirmträger und seinen Weg nachts zu beleuchten.

Interessanter Effekt: Je stärker es regnet desto heller leuchtet der Lightdrops-Schirm auf.

Der 18-jährige türkische Schüler Ceren Burçak Dag aus Nisantasi, Türkei, gewinnt den von ITT gesponserten Stockholm Junior Water Prize 2009 für ein Projekt, in dem er ebenfalls zeigt, wie Regentropfen verwendet werden können um Strom zu erzeugen. Auch er nutzt hierzu das ‚smarte’ PVDF-Material.

Dag erhält immerhin einen Preis von 5.000 $ - sowie eine bezahlte Reise nach Orlando, Florida, um seine Erkenntnisse im Oktober 2009 auf der jährlichen World Environment Federation Konferenz zu präsentieren, dem größten Wasser-Qualitäts- und Technologie-Event in Nordamerika.

Ein weiterer Finalist mit dieselben Idee ist der 14 Jahre alte Kanadier Raymond Wang, der sich damit im Mai 2012 an der Google Science Fair beteiligt, einem Online-Wettbewerb, der für alle Schüler im Alter von 13 – 18 Jahren aus der ganzen Welt offen ist.

Wang entwirft ein System, welches das Potential hat, breit umgesetzt zu werden, um Energie aus dem Wetter zu ernten, weshalb er ein Modell-Haus mit einem piezoelektrischen Dach baut.

Bei einer Reihe von Tests mit tatsächlichem und simuliertem Wetter wie Regen, Hagel und Wind kann deren Energie erfolgreich in Strom umgewandelt und auf einem Kondensator gespeichert werden.

Im April 2016 erscheint der Ansatz erneut in den Fachblogs. Diesmal sind es Forscher der Ocean University of China in Qingdao und der Yunnan Normal University in Kunming, die eine Allwetter-Solarzelle entwickelt haben, die auch Energie produziert, wenn es regnet.

Die neue Solarzelle kann durch einfallendes Licht an sonnigen Tagen und Regentropfen an Regentagen angeregt werden und erreicht einen Solar-zu-Strom-Wirkungsgrad von 6,53 %, während mit simulierten Regentropfen ein Strom von mehreren Mikroampere mit einer Spannung von einigen Hundert Mikrovolt gewonnen werden kann. Das Team um Prof. Qunwei Tang erreicht dies durch die Kombination einer mit Elektronen angereicherten Graphen-Elektrode mit einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle.

In wässrigen Lösungen kann Graphen positiv geladene Ionen an seine Elektronen binden. Diese Eigenschaft wird in graphenbasierten Prozessen verwendet, um Bleiionen und organische Farbstoffe aus Lösungen zu entfernen. Das Phänomen inspiriert die Forscher dazu, Graphenelektroden zu verwenden, um Energie aus dem Aufprall von Regentropfen zu gewinnen.

Regentropfen sind nicht reines Wasser; sie enthalten Salze, die in positive und negative Ionen dissoziieren. Die positiv geladenen Ionen, einschließlich Natrium-, Kalzium- und Ammoniumionen können sich an die Graphen-Oberfläche binden. Bei Kontakt zwischen dem Regentropfen und und dem Graphen wird das Wasser mit positiven Ionen angereichert, während das Graphen mit delokalisierten Elektronen angereichert wird. Dies führt zur Entstehung einer Doppelschicht aus Elektronen und positiv geladenen Ionen, was als Pseudokondensator bezeichnet wird. Die Potentialdifferenz ist ausreichend, um eine Spannung und Strom zu erzeugen.

An regnerischen Tagen können die neuen Solarzellen mit dem Film aus reduziertem Graphenoxid (Reduced Graphene Oxide, rGO) nach oben gedreht werden, um Strom aus dem Aufschlag von Regentropfen zu erzeugen. Dabei ergibt jedes Tröpfchen bei einer Größe von 4,52 mm (?) eine Spannung und Ausgangsleistung von 152,6 mV bzw. 7,17 pW.

Ein Niedertemperatur-Verfahren zur Herstellung von stark reduzierten Graphenoxids hatte übrigens ein Team der Tsinghua University in Peking um Hongbin Feng gemeinsam mit Kollegen der University of California, Los Angeles, bereits im Februar 2013 vorgestellt.

Stoßdämpfer

Im Januar 2009 meldet die Fachpresse, daß stromerzeugende Stoßdämpfer nach ausreichenden Feldtests nun bald zur Serienreife gelangen werden. Bislang wird die ungewünschte Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt und nutzlos an die Umwelt abgegeben.

Die 2008 von Woody Neeley gegründete Electric Truck LLC (ET) in Connecticut hatte exklusiv die kommerziellen Rechte an einer Technik übernommen, die von dem emeritierten Prof. Ronald B. Goldner und seinem Kollegen Peter Zerigian an der Tufts University und dem Argonne National Laboratory entwickelt worden war (US-Nr. 6.952.060, angemeldet 2001, erteilt 2005).

Mit der patentierten Technologie der regenerativen elektromagnetischen Stoßdämpfer (Power-Generating Shock Absorber, PGSA) sollen die Batterien von Hybrid- und Elektroautos während der Fahrt aufgeladen werden.

Das System funktioniert mit einem elektromagnetischen Lineargenerator, der die intermittierende Verschiebung in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Eingesetzt wird dabei in der Regel ein zylindrischer, bürstenloser 3-Phasen Permanentmagnet-Elektromotor, der manchmal auch als ,ServoRam’ bezeichnet wird. ServoRams wurden in den 1990er Jahren entwickelt, um die hydraulische Stoßdämpfer von Bewegungssimulatoren in der Unterhaltungsindustrie zu ersetzen.

Im Juni 2010 wird ET mit einen Zuschuß der Office of Energy Policy Management des Bundesstaates Connecticut ausgezeichnet. Außerdem gewinnt der Stoßdämpfer den Energy Harvesting and Storage USA award für die beste Technologie-Entwicklung im Bereich des Energy Harvesting. Die benötigte Finanzierung in Höhe von 50.000 – 100.000 $ für die Weiterentwicklung scheint die Firma aber nicht zusammen zu bekommen.

Davon unabhängig gewinnt ein Team der Stony Brook University um Prof. Lei Zuo - das seine Technologie ebenfalls der ET lizensiert - im Jahr 2011 für die Entwicklung von Nachrüst-Energy-Harvesting-Stoßdämpfern, welche unter normalen Fahrbedingungen die Vibrationen, Stöße und Bewegungen durch die Aufhängung eines Fahrzeugs oder Zuges in 100 – 400 W elektrische Energie umwandeln, einen renommierten R&D 100 Award – der als der ,Oscar der Erfindungen’ bezeichnet wird. Dieses Team wird uns im Kapitelteil Vibration nochmals begegnen.

Damit tatsächlich auf den Markt gekommen scheint das Unternehmen bislang aber nicht.

Wissenschaftler der Stony Brook University im US-Bundesstaates New York unter der Leitung von Prof. Lei Zuo veröffentlichen im Februar 2010 einen Bericht über die Konstruktion und Charakterisierung eines elektromagnetischen Energiewandlers für Fahrzeugaufhängungen, bei dem Dauermagnete aus seltenen Erden und hochdurchlässige Magnetschleifen verwendet werden, um einen Vier-Phasen-Lineargenerator mit erhöhter Effizienz und geringem Gewicht zu konstruieren.

Zudem werden experimentelle Studien mit einem Prototyp im Maßstab 1: 2 durchgeführt, deren Ergebnisse sehr gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 70 km/h auf einer normalen Strecke leistet das System 2 – 8 W. Es wird aber erwartet, daß ein System in Originalgröße deutlich leistungsfähiger ist und bei normalen Straßenbedingungen pro Rad etwa 64 W erreicht, insgesamt also rund 256 W.

Nach Angaben der Forscher soll sich der Wirkungsgrad eines Autos bei Einsatz der Energy-Harvesting-Stoßdämpfer auf einer normalen Stecke um 2 % steigern lassen, während sich der Wirkungsgrad auf Holperstrecken sogar um bis zu 10 % erhöhen soll.

Gemeinsam mit Xiudong Tang und Pei Sheng Zhang meldet Zuo 2011 das Patent für die stromproduzierenden Stoßdämpfer an (US-Nr. 20130127175, veröffentlicht 2013). Nach Angaben der Forscher soll sich der Wirkungsgrad eines Autos bei Einsatz der Energy-Harvesting-Stoßdämpfer auf einer normalen Stecke um 2 % steigern lassen, während sich der Wirkungsgrad auf Holperstrecken sogar um bis zu 10 % erhöhen soll.

Im November 2012 ist zu erfahren, daß das Zuo-Team für seinen Eisenbahn-basierten Harvester namens Mechanical Motion Rectifier (MMR) mit einer nationale Auszeichnung der Konferenz ,Energy Harvesting and Storage USA’  geehrt wird. Als Einsatzbereich der Erfindung, die Strom aus den Schwingungen erntet, die von Zügen erzeugt werden, bietet sich das Schienennetz der USA an – das mit über 225.00 km als das längste der Welt gilt.

Durch die Verwendung von zwei Einwegkupplungen können die MMR-basierten Bahnenergie-Harvester die unregelmäßigen oszillierenden auf-und-ab-Vibrationsbewegung von Eisenbahnschienen erfassen und in eine unidirektionale Drehung wandeln, die wiederum leicht als Strom geerntet werden kann. Aus der Zug-induzierten Spurablenkung sollen sich 200 W erzielen lassen, um streckenseitige elektrische Geräte zu betreiben, wobei von einer Energierückgewinnungen in Höhe von 70 – 90 % ausgegangen wird.

Unterstützt wird die Entwicklung der Technologie vom University Transportation Research Center (UTRC-II) des U.S. Department of Transportation, der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) und der SUNY Research Foundation.

Und auch diese Entwicklung wird der Firma ET lizenziert, die das Projekt von Anfang an unterstützt hat und inzwischen als Electric Truck LLC/Harvest NRG Inc. mit Sitz in Greenwich, Connecticut, auftritt.

Weitere Meldungen darüber gibt es erst wieder im August 2015, als Zuo, der inzwischen an der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) in Blacksburg unterrichtet und forscht, von Fortschritten bei der Gewinnung von Energie aus Unebenheiten der Straße berichtet. Diesmal sind auch weitere Details zu erfahren. So z.B. daß seine Stoßdämpfer die bidirektionale Auf- und Abbewegung in eine Drehbewegung übersetzen, welche einen Generator antreibt.

Eine besondere Kombination von Zahnrädern ermöglicht es, die Bewegungen in beiden Richtungen umzuwandeln, was die gewonnene Energiemenge verdoppelt. Die ermöglicht dem Generator zudem mit einer konstanten Geschwindigkeit zu laufen, was die Last auf die Zahnradzähne reduziert und das System effizienter und zuverlässiger macht. Außerdem dreht sich der Generator weiter, selbst nachdem die Schwingung endet, wasdie Energiemenge weiter maximiert.

Bei Tests auf den Straßen des Campus erreicht das aktuelle Modell einen Wirkungsgrad von etwa 60 %. Es wird erwartet, daß ein mit Präzisionskomponenten hergestelltes Systems sogar 85 % erreicht. Zur Verbesserung der Leistung will Zuo zudem eine selbstversorgende semi-aktive Steuerung integrieren, bei der ein Mikroprozessor die Bedingungen des Fahrzeugs erkennt und die Fahrwerkseinstellungen entsprechend anpaßt.

Ein nahezu identisches Konzept, das von David A. Oxenreider aus Boiling Springs, Pennsylvania, entwickelt worden ist, hatte übrigens den zweiten Preis des ‚Emhart Create the Future’ Design-Wettbewerbs 2005 gewonnen. Über weiterführende Schritte ist auch in diesem Fall nichts zu finden.

Finden lassen sich dagegen Vorläufer dieser innovativen Technologie – und zwar in Gestalt der gut bekannten Audio-Fima Bose. Das Unternehmen behauptet nämlich, bereits seit 1980 an einem ‚Active Suspension System’ zu arbeiten, das ebenfalls lineare Schrittmotoren verwendet um konventionelle Stoßdämpfer samt ihrer Federung zu ersetzen.

Man hätte bereits mehr als 100 Mio. $ in diese Technologie investiert und erwarte, daß sie bis 2009 bei High-End-Luxus-Fahrzeugen zum Einsatz kommt. Ob das Bose-System eine Energierückgewinnung besitzt, konnte ich bislang nicht herausfinden.

Das Rennen scheint jedoch ein anderes System zu machen, obwohl es auf den ersten Blick wesentlich komplizierter wirkt.

Eine Gruppe von Sudenten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Zack Anderson und Shakeel Avadhany, die neben Paul Abel und Vladimir Tarasov auch die Patentinhaber sind, präsentiert nach zweijähriger Arbeit im Februar 2009 einen Stoßdämpfer, dessen Öl durch kleine Turbinen geleitet wird, welche wiederum Stromgeneratoren antreiben (US-Nr. 8.376.100, angemeldet 2008, erteilt 2013)..

In ersten Tests erzielen die GenShock Prototypen bei einem dreiachsigen LKW auf einer normalen Straße eine Leistungsgabe von bis zu 1 kW pro Rad bzw. Stoßdämpfer. Mit dieser Energie könne beispielsweise das Kühlaggregat eines Anhängers betrieben werden, in Hybridfahrzeugen könnten die Stoßdämpfer wiederum die Akkus laden. Die Studenten glauben, daß ihre Stoßdämpfer die Effizienz eines Autos um 2 - 10 % steigern und den Kraftstoffverbrauch um 1,5 - 6 % senken könnte. Da zudem eine Elektronik die Dämpfung aktiv steuert, ermöglichen die neuartigen Stoßdämpfer auch eine ruhigere Fahrt als herkömmliche Modelle.

Unterstützt wird das Team von Venture Mentoring Service des MIT, und beraten wird es von Yet-Ming Chiang, Professor für Keramik bei Kyocera und Gründer von A123 Systems, einem Anbieter von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien (s.d.). Interesse an der Erfindung bekunden bereits mehrere amerikanische Lkw-Hersteller sowie der US-Autohersteller AM General, der unter anderem das High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle baut (kurz: HMMWV, besser bekannt als Humvee).

Um die GenShock-Stoßdämpfer schnell auf den Markt zu bringen, hatten Anderson und Avadhany 2009 die Startup-Firma Levant Power Corp. gegründet, die bereits im Mai desselben Jahres den mit 10.000 $ dotierten MIT Clean Energy Award gewinnt und nun hofft, das Gerät in den folgenden 18 Monaten bis zur Marktreife zu bringen.

Mithilfe einer Förderung der National Science Foundation werden die GenShocks an Hybrid-Trucks im praktischen Betrieb getestet. Auf den Markt kommen sollen die neuartigen Stoßdämpfer bereits im zweiten Quartal 2011. Was jedoch nicht klappt.

Im Juni 2011 folgt die Meldung, daß das Automotive Research, Development, and Engineering Center (TARDEC) der U.S. Army vor kurzem einen vierwöchigen Haltbarkeitstest der GenShock-Technologie an Bord eines M1152 HMMWV durchgeführt habe. Trotz der anspruchsvollen militärischen Geländeprofile zeigt GenShock für die Dauer des Tests einen vollkommen störungsfreien Betrieb und erzeugt dabei Strom, der an ein simuliertes Bordnetz geliefert wird.

Bei Geschwindigkeiten von über 1,5 m/s können Spitzenausgangsleistungen von über 600 W erreicht werden. Da die Stoßdämpfer Energie zurückgewinnen, bleiben sie darüber hinaus kühler als die konventionellen Ausführungen. Thermische Tests zeigen, daß die GenShock-Produkte 71 % länger brauchen, bevor ihre Temperatur steigt. Nun sollen im Laufe des Jahres zusätzliche Tests im Labor und auf dem Versuchsgelände erfolgen, wobei das Unternehmen plant, die kommerzielle Produktion im 4. Quartal 2012 zu starten.

Einem Pressebericht vom November 2011 zufolge soll sich die Levant Power inzwischen abervon den überdimensionalen Stoßdämpfer abgewendet haben, um nun Strom mittels eines elektrodynamischen Harvesters mit kleinen Permanentmagneten zu erzeugen, der einfach in konventionelle Modelle eingesetzt werden kann. Die neue Ausführung soll einen Wirkungsgrad von 45 – 50 % erreichen.

Als zweite Priorität der Firma werden 3.000 Signalbojen auf dem Meer genannt, die typischerweise Solar- und Wellenkraft verwenden und jeweils 50 kW benötigen. Da die Levante-Geräte effizienter sein sollen, als die bislang eingesetzte Technik, kooperiert das Unternehmen auf diesem Sektor mit der Firma Battelle, um die OceanGen genannte Meerestechnik auf den Markt zu bringen. Doch auch dieses Projekt kommt augenscheinlich nicht voran, denn spätere Meldungen darüber gibt es keine mehr.

Im August 2013 wird bekannt, daß die inzwischen in Woburn beheimatete Levant Power eine Partnerschaft mit der deutschen Firma ZF Friedrichshafen AG eingegangen ist, welche die neuen Stoßdämpfer nun in großer Zahl herstellen soll. Bisher hatte Levant – vermutlich manuell – nur einige hundert seiner Geräte für Testzwecke produziert.

Dies scheint bislang aber auch das Ende der Fahnenstange zu sein – denn neuere Informationen über die Pläne oder gar ihre Umsetzung gibt es keine. Laut einer ungenannten Quelle in der Firma wurde bislang auch noch kein Prototyp gebaut und getestet (Stand 2015).

Im Juni 2009 folgt eine Meldung, der zufolge der französische Erfinder Christophe Verna aus Bordeaux ebenfalls ein System vorstellt, das die Klimaanlagen und Heizungen von Fahrzeugen aller Art, Zügen und Straßenbahnen versorgen kann, ohne hierfür zusätzliche Energie zu benötigen.

Das ClimaVerna genannte System dient zur Rückgewinnung der Kraft, die durch die Bewegungen der Aufhängung relativ zum Rahmen eines fahrenden Fahrzeugs erzeugt wird. Einer der Anker wird mit dem Chassis des Autos, LKWs, der Bahn oder ein anderen Fahrzeugs verbunden, während der andere an dem Aufhängungssystem vorne oder hinten am Fahrzeug angebracht wird. Ein mit Rückschlagventilen versehener Zylinder dient als Kompressor, der Luft, Hydrauliköl oder einer anderen Flüssigkeit komprimiert.

Obwohl der Erfinder auf seiner Seite mit diversen animierten Grafiken aufwartet und auch das Foto eines Prototyps veröffentlicht, ist nichts davon festzustellen, daß sich die Erfindung bislang zum Produkt gemausert hätte.

Nachdem Vertreter der niederländischen Technischen Universität Eindhoven im Dezember 2010 auf der Future of Electric Vehicles Konferenz in San Jose über die Forschungsergebnisse mit einer neuen elektromagnetischen Fahrzeugaufhängung berichtet hat, wird im April 2011 während der AutoRAI Ausstellung in Amsterdam erstmals ein Testfahrzeug vorgestellt, das mit der Aufhängung ausgestattet ist, welche die „Gesamtfahrqualität von Autos um 60 % verbessern“ soll. Die Universität entwickelt das System in Zusammenarbeit mit der schwedischen Mechatronik-Firma SKF aus Göteborg, welche die Technologie hat patentieren lassen und sie in Zukunft auf vermarkten will.

Nun veröffentlicht die Universität auch weitere Details über die Technologie, die unter der Leitung von Prof. Elena Lomonova von Bart Gysen im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt wurde. Demnach ist die Aufhängung nicht nur elektromagnetisch, sondern auch aktiv, was bedeutet, daß es sie nicht nur stur auf die Unebenheiten der Straße reagiert, sondern von einem Bordcomputer gesteuert wird. Dieser empfängt Informationen von Beschleunigungs- und anderen Sensoren am Fahrzeug, und paßt die Aufhängung innerhalb des Bruchteils einer Sekunde entsprechend an.

Im Gegensatz zu früheren Systemen der aktiven Federung, die zumindest bei Autos nichts Neues sind und vor allem in hydraulischen Systemen integriert werden, kann das neue elektromagnetische System wesentlich schneller reagieren und die Fahrt damit signifikant glatter machen.

Mit etwa der gleichen Größe eines herkömmlichen Stoßdämpfers, besteht das System aus einer passiven Feder, einem elektromagnetischen Stellglied, einer Steuereinheit und Batterien. Die Feder bietet – sinnigerweise – die Federwirkung, während die Magnete die passive Absorption von Stößen liefern. Sollten die Batterien ausfallen, arbeitet das System immer noch als eine rein mechanische Aufhängung.

Mit einem Spitzenverbrauch von 500 W verwendet die Aufhängung nur etwa ein Viertel der Leistung hydraulischer Systeme. Zudem streckt sie auch die Lebensdauer der Batterie, indem es die Erschütterungen durch die Straßen nutzt, um Elektrizität zu erzeugen. Wieviel das ist, wird allerdings nicht mitgeteilt. Im vergangenen November hat ein Testwagen mit installierten Systemen an zwei seiner Räder Versuchsfahrten durchgeführt, wobei im Moment jedes mit der Aufhängung ausgestattete Rad noch unabhängig agiert. Im weiteren Verlauf der Arbeiten soll daher ein System entwickelt werden, bei dem die einzelnen Federungseinheiten miteinander kommunizieren und ihre Aktionen koordinieren. Doch wie auch in den vorangegangen Fällen läßt sich nichts darüber finden, daß die Sache später weiter verfolgt worden wäre.

Eine etwas ferne Variante, die hier aber trotzdem gut hineinpaßt, kursiert im Dezember 2011 in den Fachblogs.

Bei dem Energy Return Wheel (ERW) des Erfinders Brian A. Russell handelt es sich um einen nicht-pneumatischen Reifen ohne Luftschlauch, der im Gegensatz zu anderen, ähnlichen Reifen, wie z.B. die der Firmen Resilient Technologies (NPT) oder Bridgestone (Tweel), nicht passiv ist, sondern Energie aktiv absorbiert und wieder freisetzt (US-Nr. 8.127.809, angemeldet 2009, erteilt 2012; vgl. US-Nr. 9.004.120, angemeldet 2011, erteilt 2015).

Wie der Name schon sagt, wandelt der ERW die Energie der Stoßdämpfung in ein gewisses Maß an Vorwärtsbewegung um. Das aufgehängte ,Rad innerhalb eines Rades’ ist im Wesentlichen eine Feder, die Energie von Stößen absorbiert und wieder an die Straße abgibt. Es besteht aus zwei Stahlreifen, von denen einer innerhalb des anderen eingebettet und durch eine Reihe von Federn aufgehängt ist. Der äußere Ring hat, wie ein typischer Reifen, einen Gummimantel und ein innere Membran, während der innere Ring Bolzen hat, welche die Federn mit dem Rad verbinden und angezogen werden können, um den Reifen mehr oder weniger stark elastisch zu machen.

Anderen Quellen zufolge werden die Stöße und die dabei erzeugte Schwingung von den Federn abgefangen und in Energie umgewandelt, um sie anschließend in einem externen Akku abzuspeichern.

Später läßt sich die 2002 gegründete Firma Britek Tire and Rubber aus Littleton, Colorado, die ERW-Technologie lizenzieren, obwohl nicht klar ist, wie weit die Entwicklung fortgeschritten ist. Zudem scheint die Firma mit dem Erfinder identisch zu sein. Auf der Homepage werden nun Reifen für Fahrräder mit derselben Technologie angeboten – zu Preisen zwischen 1.625 und 2.699 $ das Paar. In Kommentaren wird allerdings Ende 2012 behauptet, daß es sich bei dieser Firma bzw. Person um einen Betrug handelt, da trotz Vorauszahlungen keine Räder geliefert werden.

Wesentlich seriöser wirkt demgegenüber das Forschungsprojekt ,Entwicklung eines elektromechanischen Dämpfersystems für Straßenfahrzeuge’ von Prof. Ulrich Grau an der Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg (TH Nürnberg), das im Juli 2012 startet, bis Ende Dezember 2013 läuft und von der gemeinnützigen STAEDTLER-Stiftung mit 40.000 € unterstützt wird.

In dem Vorhaben sollen in insgesamt drei Phasen die Potentiale, aber auch die Anwendungsgrenzen der neuen Technik für Personenkraftwagen untersucht werden. Dabei soll ein elektromechanischer Dämpfer ausgelegt, konstruiert und anschließend experimentell untersucht werden. Später ist aber trotz der Seriösität nichts weiter darüber zu hören.

Daß der Ansatz der Energierückgewinnung aus Stoßdämpfern zumindest im Marketing auch weiterhin aktuell ist, belegt der sogenannte Mercedes Vision G-Code SUV („SUC-Studie aus Asien für Asien“), der im November 2014 bei der Eröffnung des neuen Entwicklungszentrums der Firma in Peking präsentiert wird.

Neben einer besonderen Lackfarbe namens ,multi-voltaic silver’, die wie eine Art riesige Solarzelle mit großer Effizienz das Sonnenlicht nutzt und zudem durch Fahrtwind oder natürlichen Wind elektrostatisch aufgeladen werden kann, verfügt das Fahrzeug auch noch über eine ,power on the move’-Aufhängung, die in der Lage ist, die Bewegung der Stoßdämpfer in elektrische Energie umzuwandeln. Wenn das Gefährt jemals gebaut wird.

Auch German Gresser und seine Würzburger Firma Intertronic Gresser GmbH entwickelt einen stromproduzierenden Stoßdämpfer, der die Reichweite von Elektroautos deutlich erweitern soll. Er präsentiert seine Idee erstmals im Mai 2016 auf der ,E-mobility Reinvented’, einer Kongressmesse für Elektromobilität in Berlin.

Gresser läßt die Erfindung unter dem Namen ,Stromgewinnungs-Federungssystem für Hybrid-und Elektroautos’ patentieren (US-Nr. 8.874.291, angemeldet 2010, erteilt 2014). Das System basiert auf Linear-Generatoren mit Dauermagneten, wobei vier Stück pro 100 Kilometer bis zu 18,6 kWh erzeugen sollen. In einer Beispielrechnung kommt er auf eine Fahrleistung von 500 km bei einem Auto, das normalerweise nur 300 km schafft.

Im Vergleich zu dem System von Levante soll das Gresser-System eine viel höhere Energieausbeute erreichen, da die herkömmlichen Stahlfedern und Stoßdämpfer vollständig eliminiert worden sind und als Ergebnis mehr Kräfte in die Leistungsumwandlung in elektrische Energie fließen.

Bislang sind jedoch nur einige Computer-Animationen zu sehen, einen Prototypen gibt es noch nicht. Interessanterweise hatte Gresser bereits 2007 auch ein Patent angemeldet, bei dem es um Strom aus der Straße geht (s.d.).

Daß auch die Firma Audi mit rekuperativen Stoßdämpfern experimentiert, wird im August 2016 bekannt. Audis Lösung, bei der die herkömmlichen hydraulischen Stoßdämpfer durch elektromechanische ersetzt sind, trägt die Bezeichnung eROT. Dabei steht das ,ROT’ im Kürzel für rotatorisch, weil die Längsbewegung der Radaufhängung von einem Hebelarm aufgenommen und über ein Getriebe in eine drehende umgesetzt wird, wie sie für konventionelle E-Maschinen benötigt wird, die im Gegensatz zu Linearmotoren bei Zulieferern häufiger im Angebot sind.

Die Rekuperationsleistung beträgt im Testbetrieb auf deutschen Straßen von 3 W auf einer frisch asphaltierten Autobahn bis zu 613 W auf einer holprigen Nebenstraße. Eine Serienfertigung soll sich allerdings nur in Verbingung mit einem effizienten 48-Volt-Bordnetz lohnen, das ein zentraler Baustein der Elektrifizierungsstrategie von Audi ist.

Straßengeneratoren

Der Erfinder Peter Neville Hughes aus Dorset stellt nach zwölfjähriger Entwicklungszeit Ende 2005 eine Art Straßerampe vor, die darüberfahrende Autos nutzt um Strom zu erzeugen. Jedes Mal, wenn ein Auto über die Metallplatten fährt, soll die Electro-Kinetic Road Ramp durchschnittlich 10 kW produzieren. Die Bewegung der Platten wird auf ein speziell entwickeltes Schwungrad übertragen, das einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Dem Konstrukteur zufolge hätten bereits mehr als 200 lokale Behörden ihr Interesse an den 20.000 - 55.000 £ teuren Rampen bekundet, um mit der dort gewonnenen Energie Ampeln und Verkehrsschilder zu versorgen.

Hughes, dessen Entwicklung mit technischer Unterstützung der Firma Renold Clutches & Couplings aus Cardiff erfolgte, will mit seiner eigenen, 2004 gegründeten Firma Highway Energy Systems Ltd. (Anfangs: Hughes Research) bereits im nächsten Jahr mit der Produktion von 2.000 Stück seiner Rampen beginnen, die lautlos funktionieren und auch Unfall- bzw. Verkehrssicher sein sollen.

Je nach Gewicht des Fahrzeugs können zwischen 5 kW und 50 kW erzeugt werden. Der Prototyp wird auf der Westland Helikopter Basis in Somerset getestet, mit einem Kostenaufwand von 1 Mio. £.

Anschließend passiert jedoch lange Zeit nichts, bis das Unternehmen im März 2008 ein Memorandum of Understanding mit der Mitte 2007 gegründeten Firma ECO-RAEC SA unterzeichnet, in welchem ihr die ausschließlichen Rechte an der Power Ramp Technologie in Spanien und Portugal übertragen werden. Zu Umsetzungen kommt es hier jedoch nicht.

In England ist es Mitte 2009 die Großhandelskette Sainsbury’s, die als erste auf einem ihrer Parkplätze in Gloucester die kinetischen Platten von Highway Energy Systems installieren läßt, welche sich innerhalb von zwei Jahren amortisieren sollen. Die darüber hinweg fahrenden Pkw erzeugen pro Stunde etwa 30 kW, was ausreicht, um alle Kassen des Großgeschäfts zu versorgen. Wenn der Testlauf erfolgreich ist, will das Unternehmen die Platten in allen seinen Filialen einführen.

Im März 2011 gibt die Firma bekannt, daß sie erwartet noch im Laufe des Sommers 250 der Systeme in Betrieb nehmen zu können, und Hughes läßt sich 2015 (?) von dem italienischen Büro Stefano Baseggio Architetto eine exzellente 3D-Animation seines Systems erstellen, doch danach wird es völlig ruhig um die Innovation, und auch die Seite des Erfinders selbst ist nicht mehr existent.

Eine ähnliche Erfindung stammt von Danny McCadci aus Sunnyvale, Kalifornien, der seit den 1990er Jahren darüber nachdenkt. Im August 2007 beantragt er das Patent für eine Art Polder, der beim darüber hinweg Fahren heruntergedrückt wird und ebenfalls ein stromerzeugendes Schwungrad in Bewegung setzt. Den Einzelpreis bei einer Massenherstellung beziffert McCadci mit 5.000 $. Doch auch hier scheint es sich um eine Eintagsfliege zu handeln.

Ebenfalls 2007 stellt der indische Erfinder Kanak Gogoi aus Guwahati, der sich ansonsten mit der Entwicklung kleiner, möglichst billiger Solar- und Druckluft-Autos beschäftigt, eine Rampe vor, welche die Energie des über sie hinwegrollenden Straßenverkehrs in Strom umwandelt.

Gogoi verschweißt 5 m lange Metallplatten in seinen Geschwindigkeitsbegrenzern. Die Platten sind beweglich und neigen sich mit Hilfe eines federbelasteten Hydrauliksystems. Bewegt sich ein Fahrzeug über sie hinweg, werden Platten nach unten gedrückt und springen dann in die ursprüngliche Position zurück. Beim Absenken der Platten wird über Kurbel, Hebel und Ratschen-Mechanismus eine Getriebewelle zum Drehen gebracht, die mit einem Dynamo verbunden ist.

Ein Fahrzeug mit einem Gewicht von 1.000 kg soll so etwa 0,98 kW Strom erzeugen, rechnet der Erfinder. Was das Interesse des Indian Institute of Technology (IIT) in Guwahati weckt, das nun ein Pilotprojekt finanzieren will. Über eine praktische Umsetzung ist aber trotzdem nichts zu finden.

Im August 2007 ist erstmals von der 2004 gegründeten Firma KinergyPower von Stefanos und Dimitri Horianopolis zu hören, die gleich mit einer Reihe von Gerätschaften aufwartet, welche die Energie sich bewegender Fahrzeuge nutzen soll. Neben dem KinerBump, einer 2 – 6 m langen Struktur, die als Geschwindigkeitsbegrenzung eingesetzt wird, ist dies zum einen der KinergyCarpet, der für längere Strecken von 10 – 100 m gedacht ist und entweder in das Pflaster eingebettet oder oben auf der Straßenoberfläche sitzt.

Weitere Umsetzungen sind der KinerRail, der die Energie darüber fahrender Züge nutzt, das  Kinerpad, das Strom durch den Fußgängerverkehr erzeugt, sowie ein System namens KinerWave, welches die Wellenbewegung erfassen und in nutzbare Energie umwandeln soll. Vermutlich in diesem Umfeld ist auch die Information anzusiedeln, daß die beiden Gründer auch an dem griechischen Wellenenergie-Unternehmen Kimatiki Energia beteiligt sind.

Bezüglich der technischen Grundlagen des Kinergy-Systems, das verspricht, überall dort Strom herzustellen, wo starker Verkehr herrscht, halten sich die Innovatoren auffällig bedeckt. Zu erfahren ist bislang nur, daß es aus Hunderten von kleinen Kolben besteht, die sich auf und ab bewegen, wenn ein Fahrzeug über sie rollt. Dabei erzeugen die Kolben Druck, der einen Hydraulikmotor samt angeflanschtem Generator dreht.

Es läßt sich nachverfolgen, daß die Firma bis 2013/2014 auf diversen Messen und Ausstellungen auftaucht und in dieser Zeit auch einige Tests durchführt, so z.B. in Griechenland, Indien und den USA, wo in Boston eine KinergyPower-Tochtergesellschaft entsteht, doch werden bislang weder Ergebnisse mitgeteilt noch kommerzielle Umsetzungen nachgewiesen. Die letzte – weitgehend nichtssagende – Meldung stammt vom Januar 2015.

Im April 2008 erscheint ein Bericht über eine Umsetzung durch den US-Veteranen Terry Kenney, der acht Jahre dafür brauchte, um einen funktionierenden Prototyp auf, bzw. in die Straße zu bekommen. Bei seiner im SSA Hafen von Oakland, Kalifornien, installierten Dragon Power Station komprimieren breite und robuste Stahlplatten eine Hydraulikflüssigkeit, sobald ein großer Lkw darüber fährt (pro Tag fahren rund 2.500 von ihnen in den Hafen), was wiederum eine Reihe von Pumpen in Aktion setzt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Der Erfinder schätzt, daß er im Juni 5.000 – 7.000 kWh Strom pro Tag erwirtschaften wird, was ausreichen sollte um etwa 1.750 Wohnungen zu versorgen und für einen Prototyp eine beachtliche Leistung darstellt.

Während der 4-jährigen Prüfung bewährt sich das System, in welches Kenney und seine Familie bereits 4,7 Mio. $ gesteckt haben. Mit dem Stromversorger PG&E wird eine Netzanschluß-Vereinbarung getroffen. Doch zu Geschäftsabschlüssen kommt es trotz allem nicht, und in den Folgejahren wird es völlig ruhig um das Projekt.

Als Veteran sieht Terry allerdings die Möglichkeit, das System weiter auszubauen und mit einem Sicherheitspaket zu verbinden. Im Jahr 2016 soll die Idee von der Firma Alternative Energy Sources Technology (AEST) unter dem Titel ,Dragon Power Security Monitoring System’ als das ultimative Sicherheitssystem vermarktet werden, das mit Echtzeit-Gesichtserkennung, Nummernschild-Scan, Bombenerkennung und anderen Techniken ausgestattet ist.

Eine Kickstarter-Kampagne, bei der 65.000 $ für den Bau eines Prototypen eingeworden werden sollen, scheitert allerdings kläglich: In der Zeit vom Mai bis zum Juli 2016 finden sich nur zwei Personen, die zusammen gerade einmal 6 $ aufbringen. Womit die Sache erst einmal vom Tisch ist.

Mit einer anderen technologischen Lösung, um die mechanische Energie von Fahrzeugen anzuzapfen, tritt Ende 2008 die israelische Firma Innowattech Ltd. auf den Plan. Hier werden die Schwingungen, die durch die Fahrzeuge auf Straßen, Schienen oder Landebahnen verursacht werden, von piezoelektrischen Generatoren aufgenommen. Das Unternehmen behauptet, daß 1 km Straße oder Landebahn in der Lage sei, 400 – 500 kW pro Stunde zu produzieren.

Anfang 2009 arbeitet das vom Israel Insitute of Technology (Technion) in Haifa unterstützte Unternehmen an einer Pilotanlage in Israel, bei der die Innowattech Piezo Electric Generators (IPEG) auf einer Strecke von 100 m in die Straßenoberfläche eingebracht und getestet werden sollen. Sie werden in einer Tiefe von 6 cm und in einem Abstand von 30 cm installiert.

Tatsächlich kommt das System dann im Oktober auf einem bescheidenen 10 mm langen Autobahnabschnitt nahe der Kleinstadt Hadera erstmals unter realen Bedingungen zum Einsatz. Das Experiment zeigt, daß 600 Fahrzeuge pro Kilometer auf jeder Fahrspur 200 kW Strom erzeugen könnten. Allerdings kostet die Ausrüstung eines Kilometers Autobahn mit den Generatoren zwischen 300.000 und 500.000 $. Immerhin wird dabei von einer Lebenszeit von rund dreißig Jahren ausgegangen.

Als weitere Einsatzorte schweben denn Innowattech-Betreibern Start- und Landebahnen von Flughäfen vor – und natürlich Bürgersteige. Um zu zeigen, daß das Konzept auch auf Schienen funktioniert, wird eine Kooperation mit der Nationalen Eisenbahngesellschaft gestartet. Geleitet wird das Ganze von Haim Abramovich, der einerseits Gründer und CEO von Innowattech ist – und andererseits Professor am für Luft- und Raumfahrttechnik am Technion.

Daneben sollen auch noch mehrere kleine Projekte auf einer Autobahn in der Nähe des Ben Gurion Flughafens umgesetzt worden sein, was sich bislang aber nicht verifizieren ließ. Außerdem entwickelt die Firma ein System, das die mechanische Energie herumlaufender Passanten in der New Yorker U-Bahn und in gutbesuchten shopping malls in Strom umsetzt. Über solche Technologien habe ich bereits ausführlich im Kapitel Muskelkraft berichtet.

Berichten vom April 2010 zufolge sucht Innowattech zudem passende Projekte mit neuen Straßenabschnitten. Einer wurde bereits gefunden: In Norditalien wird die Firma beteiligt sein, wenn das Bauunternehmen Impregilo bis 2013 die Schnellstraße zwischen Quarto d’Altino und San Donà di Piave erweitert.

Im Dezember folgen Details über den Einsatz auf der Schiene: Für den Test werden 32 bestehenden Schwellen mit den Stromgenerator-Pads ausgestattet um zu messen, wie gut sie Strom produzieren. Andere Quellen sprechen davon, daß die Pads zwischen den Eisenbahnschwellen und den Schienen angebracht werden. Die Installation soll jedenfalls schnell, einfach und unkompliziert sein.

Vorläufige Ergebnisse vom Vorjahr, welche das Technion-Universität und die Eisenbahngesellschaft gewonnen hatten, legen nahe, daß Strecken mit einer Frequenz von 10 – 20 Zügen aus zehn Waggons 120 kWh pro Stunde produzieren könnte, wobei der Strom beispielsweise für Signalanlagen verwendet oder ins Netz übertragen werden soll. Tatsächlich ist dies dann aber auch das Letzte, was man von der Firma hört, die inzwischen auch aus dem Netz verschwunden ist.

Zu den weiteren Unternehmen, die sich mit Stromgewinnungssystemen aus dem Straßenverkehr beschäftigen, gehört die Firma New Energy Technologies Inc. aus Burtonsville, Maryland, die 2009 ebenfalls an einem Prototyp arbeitet.

Im Juli wird am Luxushotel Four Seasons in Washington ein Test durchgeführt. Um die kinetische Energie der rollenden Fahrzeuge nutzen zu können, wird in Fahrspuren im Parkhaus sowie im Bereich der Hotel-Zufahrten das aus mehreren hintereinander angeordneten Klappen bestehende MotionPower System eingebaut, die schließen, wenn die Fahrzeugräder darüber rollen.

Zudem kann die Firma die Fast-Food-Kette Burger King für einen Langzeittest des Systems gewinnen, das nun am Autoschalter der Filiale in Hillside, New Jersey, eingesetzt wird, den rund 150.000 Fahrzeuge im Jahr passieren. Zu diesem Zeitpunkt schätzt das Unternehmen, daß die einzelne MotionPower-Bodenschwelle 1.500 – 2.000 $ kosten und sich in zwei bis drei Jahren amortisiert.

Ein weiterer Versuch erfolgt im Oktober am Holiday Inn Express in Baltimore. Im Gegensatz zu den ersten Prototypen soll inzwischen eine 25-fache Ausbeute erreicht werden.

Der Test des ersten funktionierenden Modells, das inzwischen MotionPower Express genannt wird, erfolgt im November 2011 in Roanoke, Virginia, und Partnerschaft mit der Stadt. Das System wird vor dem Roanoke Civic Center installiert und während einer Hochbetriebs-Verkehrsperiode mit 580 Fahrzeugen über einen Zeitraum von sechs Stunden verwendet. Damit wird genügend Energie erzeugt, um ein 150 m² große elektrische Plakatwand etwa einen Tag lang zu beleuchten.

Zwar verlautet ursprünglich, daß die Stadt Roanoke die Ergebnisse der Testinstallation im Januar 2012 veröffentlichen wird, doch dies scheint nicht geschehen zu sein. Inzwischen ist von der Technik ebenso wenig noch etwas zu finden, wie von der Firma - obwohl das Unternehmen noch kurz zuvor Pläne zur Erweiterung seiner Produktpalette durch die Entwicklung eines neuen, hydraulisch angetriebenen Systems speziell für Lkw und Schwerfahrzeuge verkündet hatte.

Ein weiterer Entwurf aus diesem Technologiebereich stammt von dem koreanischen Designer Jaeyong Park und wird im November 2009 in den Blogs unter dem Namen Carbon Zero vorgestellt.

Hierbei handelt es sich um eine Art markierter Straßen-Pflastersteine, unter denen Schichten aus n-Typ Silizium und P-Typ Silizium zusammenwirken (wie sie auch bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden). Sobald sie dem Druck eines darüberfahrenden Autos ausgesetzt sind, erzeugen sie Strom - pro Block und Stunde allerdings nur 2,1 W.

Dabei wird ein Gleichstrom produziert, der anschließend in Wechselstrom umgewandelt werden soll, um elektrische Geräte in Häusern und Geschäften der Nachbarschaft zu versorgen. Bislang ist es bei dem Design geblieben.

Ein weiteres Konzept trägt den Namen eCross und stammt von den Designer und Grafiker Aleksey Belyalov aus Kasachstan, der sich damit im Jahr 2009 am Wettbewerb Green Life competition beteiligt.

Dabei handelt es sich um piezoelektrische Platten von 3 - 4 cm Höhe, die insbesondere in der Nacht an Fußgängerübergängen die Gefahr sowohl für die Fußgänger als auch für die Fahrer reduzieren sollen.

Entlang der Seiten von Zebrastreifen installiert, wird die mechanische Energie der Fahrzeuge zu Strom verwandelt, der in Akkumulatoren zwischengespeichert nach Einbruch der Dunkelheit die Beleuchtung Fußgängerübergänge gewährleistet.

Ein ähnlicher Entwurf namens Safe Hump stammt wiederum von MicroDream (wer oder was das auch immer ist) und kursiert im Mai 2010 in den Blogs.

Dieser Geschwindigkeitsbegrenzer nutzt die mechanische Energie von Autos, um die eigenen LEDs zu versorgen, welche die Schwelle auch in der Nacht gut sichtbar machen.

Wie schon seine Vorgänger, so hat es ebenso der Safe Hump bislang nicht über die Designphase hinaus geschafft.

Im Juni 2010 startet eine durch die EU geförderte Forschungsinitiative POWERAMP (Clean Energy Production through Roadway Surface Power Harvesting Systems for Increased Safety in the Transportation Sector), bei der Prototypen von Fahrbahn-Energy-Harvesting-Geräten auf der Basis dynamischer Geschwindigkeitsbegrenzer entwickelt werden sollen. Die Laufzeit des Kooperationsprojekts, das sieben Partner aus drei Ländern umfaßt und von der Firma D’'Appolonia SpA aus Genua, Italien, koordiniert wird, beträgt zwei Jahre und endet im Mai 2012.

Die weiteren Projektpartner sind neben der o.g. Firma Highway Energy Systems Ltd. die Unternehmen Sistemi Informativi Analisi Rischio Territoriale S.r.l. aus Pavia, die APC Composit AB aus Lulea in Schweden, die britischen Firmen Lamb Precision Engineering Ltd.
und M.V.M. Sheet Metal Fabrications Ltd. sowie die ebenfalls schwedische SWEREA SICOMP AB.

Das mit knapp 1,5 Mio. € bezifferte Projekt, von dem EU gut 1 Mio. € übernimmt, entwickelt das ,In Ground Multi Plate Ramp System’ (MPRS) genannten Gerät vom ersten Entwurf bis zur Fertigung und führt auch die anschließende Validierung in Pilotprogrammen durch. Es soll bei mäßigem Verkehr eine Dauerleistung von 35 kW produzieren Eine weitere Version trägt den Titel ,Portable Ramp System’ (PRS).

Die Erhebungen sind in ihrer Höhe auf verschiedene Verkehrsgeschwindigkeiten einstellbar, so daß sie bei Straßen unterschiedlicher Größe verwendet werden können um die Geschwindigkeit zu steuern oder die Fahrzeuge ganz zu stoppen. Über die zugrunde liegende Energietechnologie sind keine Details zu erfahren, allerdings werden Schwungrad-Prototypen erwähnt, die vermutlich der Energie-Zwischespeicherung dienen.

Obwohl sich das System in den Tests bewährt hätte und auch angekündigt wird, daß es voraussichtlich innerhalb von zwei Jahren im Handel erhältlich sein wird, ist nach einigen kargen Berichten im November 2013 nie wieder etwas davon zu hören.

Auch beim renommierten internationalen Designwettbewerb James Dyson Award wird im Juli 2010 ein Energie erzeugender Geschwindigkeitsbegrenzer eingereicht, der im Gegensatz zu seinen Vorläufern aber aus Gummi besteht.

Die resultierende Konstruktion ist ein in sich geschlossenes Gummigehäuse aus extrem haltbarem und flexiblem Naturkautschuk ohne bewegliche Teile, das zwei Streifen von Magneten und eine Konfiguration von Induktionsspulen enthält. Die zurückgewonnene Energie soll dann in einer Batterie am Straßenrand gespeichert und dann verwendet werden, um elektrische Installationen oder Ladestationen für Elektromobile mit Strom zu versorgen.

Auf wen diese Konzeption zurückgeht, ließ sich nicht eruieren.

Im Februar 2011 melden die Fachblogs, daß auf Initiative des jungen US-Abgeordneten Mike Gatto aus Los Angeles nun in Kalifornien Projekte mit piezoelektrischen Elementen durchgeführt werden, die ca. 10 cm unterhalb des bestehenden Straßenbelags angebracht die Vibrationen des Straßenverkehrs nutzen sollen.

Dabei ist es nicht ein einzelnes piezoelektrisches Bauteil, das die Energie erzeugt, sondern das Zusammenspiel vieler Bauelemente, welche pro Jahr und Kilometer Straße eine Energiemenge von bis zu 44 MW bringen sollen, was allerdings ziemlich hoch klingt. Aus den Meldungen sind keine Details zu entnehmen, allerdings wird auf die o.e. israelische Entwicklung Bezug genommen, was nahelegt, daß es sich auch hier um ein später nicht weiter verfolgtes Projekt der Firma Innowattech Ltd. handelt.

Gattos Gesetzentwurf sollte eigentlich Mittel von Caltrans verwenden, der bundesstaatlichen Agentur, die für Planung, Bau und Wartung von Autobahnen, Brücken und Schienenverkehr verantwortlich ist, um zwei Pilotprojekte mit der neuen piezoelektrischen Technologie umzusetzen, eines in Nord- und eines in Südkalifornien. Gouverneur Brown legt gegen das Projekt sein Veto ein – wegen des Mangels an Finanzierung.

Zwar wird im Dezember 2012 berichtet, daß Gatto zwischenzeitlich in der California Energy Commission (CEC) einen neuen Partner gefunden hat, welcher die Voruntersuchung des Potentials der Technik finanzieren wird. Die Energiekommission will die Untersuchung bis Ende Januar 2013 abschließen und dann auf der Grundlage der Ergebnisse bestimmen, ob ein kleines Pilotprojekt vom Staat durchgeführt wird. Wozu es dann augenscheinlich aber doch nicht kommt. Woher das abgebildete Foto stammt, ließ sich bisher nicht herausfinden.

Eine weiteres Konzept für die Umsetzung eines Straßengenerators kursiert im März 2011. Dieses stammt von den Designstudenten Ian Jaye, Jovan Popovic und Patrick Houin am College for Creative Studies in Detroit und unterscheidet sich von dem vorstehenden eCross-System dadurch, daß die Energie hier nicht nur von den Fahrzeugen, sondern – und in erster Linie sogar – von den Fußgängern selbst aufgebracht wird.

Bei dem Beitrag zum Wettbewerb ,imagination at work’ von General Electric sollen die Piezoplatten aus diesem Grund unter den Fußgängerübergängen ausgelegt werden, um mit ihrem Strom Straßenlaternen, Ampeln, Überwachungskameras und andere elektronische Geräte im Umfeld zu versorgen.

Eine Abwandlung, die von dem Designer Fang-Chun Tsai aus Taiwan stammt, wird im September 2011 veröffentlicht.

Unter dem programmatischen Titel Magneter (Highway Magnetic Electricity Generate System) konzipiert Tsai ein System, das die kinetische Energie sich schnell bewegender Fahrzeuge verwendet, um ein magnetisches Feld zu verändern und damit Strom zu erzeugen.

Hierbei sind an der Unterseite der Autos Magneteinrichtungen montiert, die beim Darüberfahren ein Stromerzeugungsgerät aufladen, das in der Straße installiert ist.

Als Vorteile werden die höhere Effizienz bei der Erzeugung von Elektrizität, die relativ einfache Installation und Infrastruktur und die fehlenden mechanischen Elemente wie Generatoren genannt. Es besteht keine Gefahr durch Verunreinigungen, und das System ist gegenüber den meisten Wetterbedingungen völlig resistent.

Zudem kann der mobile Part leicht in bestehende Fahrzeuge eingebaut werden. Etwas mehr Arbeit wäre notwendig, um diese Magnetstreifen in den Autobahnen zu installieren. Anderseits könnte das System auch gut auf der Schiene und bei U-Bahnlinien verwendet werden.

Im Dezember 2013 erscheinen Berichte über eine weitere Alternative, die der mexikanische Unternehmer Héctor Ricardo Macías Hernández geschaffen hat. Sein System besteht aus kleinen Rampen aus einem harten Polymer, wie er bei der Herstellung von Reifen verwendet wird. Diese Rampen sind in die Straße eingebettet, ragen 5 cm über die Oberfläche hinaus und werden vorübergehend nach unten gedrückt, wenn ein Auto darüber fährt.

Wenn dies geschieht, wird Luft durch einen Faltenbalg gezwungen, der an der Unterseite der Rampe befestigt ist. Die Luft wandert durch einen Schlauch und wird in einem Speichertank komprimiert. Die gespeicherte Druckluft wird schließlich in eine Turbine eingespeist um Strom zu erzeugen.

Laut Hernández handelt es sich um eine Technologie, die zu niedrigen Preisen umgesetzt werden könnte, während piezoelektrische Systeme für die Entwicklungsländer zu teuer seien. Das System, das auch so ausgelegt werden kann, daß es Strom von Fußgängern erzeugt, befindet sich noch in der Entwicklung, die mit Unterstützung des mexikanischen Instituts für Patentrecht (IMPI) durchgeführt wird.

Später hört man erst wieder etwas darüber, als sich Hernández im Oktober 2014 darüber aufregt, daß ein Projekt namens Tope (?), das Studenten Universidad Tecnológica de México (UNITEC) durchgeführt haben, ein Plagiat der von ihm patentierten Entwicklung darstellt – und eine Strafanzeige dagegen vorbereitet. Wie die Sache weitergegangen ist, konnte ich noch nicht herausfinden.

Die Idee der Straßengeneratoren scheint sich besonders in Indien großer Beliebtheit zu erfreuen – weshalb ich die entsprechenden Meldung nun auch unabhängig von der chronologischen Reihenfolge hintereinander stellen werde. Als erstes Beispiel sei hier die Studie von P. Chandra Sekhar, A. Balasubrahmanyam und K. Rajashaker Reddy genannt, die im Januar 2014 veröffentlicht wird.

Das studentische Team des Prakasam Engineering College in Kandukuri erarbeitet unter der Leitung von Prof. Meeravali eine Technologie namens Power Hump, bei der die Energie sich bewegender Fahrzeuge mittels Zahnstange, Welle und elektrischem Dynamo in elektrische Energie umgewandelt wird.

Ein Prototyp mit einem einfachen Gleichstrommotor erreicht eine Leistung von 12 V, wobei die Kosten mit nur 400 Rupien angegeben werden, was etwa 5,5 € entspricht.

Ein weiteres Beispiel ist der Bericht ,Generating Energy from Road Ribs’ der Studenten Gaurav RajAnand, Pranav Reddy und Mrinal Kumar, der im Februar 2014 folgt und einen Beitrag für den Wettbewerb IEEE Abhivyakti’ 14 darstellt. Auch dieses Team stellt einen ersten Prototypen her, dessen Effizienz sie mit 14 % kalkulieren, während der Output 2 W beträgt.

Im Juli sind es Abhishek Agarwal und sein Team aus Gurgaon, Haryana, die sich unter dem Titel ,Energy Harvesting Retractable Speed Bump’ mit einem Prototyp am Wettbewerb ,Create the Future 2014’ beteiligen.

Ihr Energiegewinnungsverfahren basiert auf Walzen, Federn und Stoßdämpfern und besitzt zudem einen einen Energiespeicher, der auch die Abwärme der Stoßdämpfer nutzen soll.

Etwas offizieller ist der Ansatz von Forschern des Government Engineering College (GEC), die einem Bericht vom September 2014 zufolge einen Weg gefunden haben, um Energie aus dem Gewicht der Fahrzeuge zu ernten, die durch eine Mautstelle fahren.

Die in diesem Modell verwendeten Hauptkomponenten sind eine flache Plattform, Federn, Getriebe und ein Generator. Die Plattform ist auf einer Druckfeder montiert und mit Zahnstange und Ritzel verbunden, um die Last des Fahrzeugs auf diese zu übertragen. Dadurch wird die Hubbewegung in eine Drehbewegung umgewandelt, die schließlich auf die Generatorwelle übertragen den Strom erzeugt. Ein Ratschenmechanismus sorgt dafür, daß sich die Leistung nur in eine Richtung überträgt.

Verläßt das Fahrzeug die Plattform wieder, kehrt diese aufgrund der Federwirkung in ihre ursprüngliche Position zurück. In diesem wie allen vorangegangenen Fällen läßt sich aber nichts darüber finden, daß die Innovationen bislang tatsächlich zum Einsatz gekommen sind.

Im März 2014 erreicht mich der Bericht über eine Energieabsorptionsplattform nebst Fotos des funktionsfähigen Vorführmodells im Maßstab 1:10, das von dem Physiker Dipl.-Ing. Edmond D. Krecké aus Monaco entwickelt und gebaut wurde und eine fortschrittliche Version des vorstehenden Modells darstellt.

Hier ist die Plattform ist mit mindestens einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder verbunden, so daß bei der Passage eines Fahrzeugs ein entsprechender Druck erzeugt wird. Beim Bremsen wird die Rampe nach unten gedrückt und das Gewicht des Fahrzeugs wird für die Erzeugung potentieller Energie in einem hydraulischen oder pneumatischen System verwendet. Wird die Fahrt fortgesetzt, beschleunigt das Fahrzeug über die Rampe, während gleichzeitig kinetische Energie erzeugt wird.

Die Hydraulikfluid fließt dabei über ein Rückschlagventil in einen Druckspeicher, wo die Energie in nutzbarer Form gespeichert wird und später leicht verwendet werden kann, um ein Gebäude mit Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft zu versorgen. Ebenso läßt sich der Druck verwenden, um Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie anzutreiben.

Der Erfinder schätzt die Kosten einer Energieabsorptionplatform bei Serienfertigung auf rund 8.000 €. Man sollte allerdings darauf hinweisen, daß Krecké einige Jahre zuvor eine sogenannte Isomax-Terrasol-Technologie entwickelt hatte, bei der ein Mischprinzip aus Sonnenwärme und Erdkühle Häuser kostenlos temperieren sollte. Im Oktober 2011 war dann vor Gericht allerdings festgestellt worden, daß Krecké ein Bilanzfälscher sei und daß das von ihm entwickelte Prinzip gar nicht funktioniere.

Im Juli 2014 erscheint eine Studie von Prof. P. Papageorgas und seinem Team am Technological Educational Institute of Piraeus (TEI) in Griechenland, bei der es um im Straßen eingebettete piezoelektrische Generatoren geht (,Energy Harvesting Implementing Embedded Piezoelectric Generators – The Potential for the Attiki Odos Traffic Grid’).

Das Ziel dieser Forschung ist es, die Vorteile eines entsprechenden Energy-Harvesting-Systems zu analysieren und zu präsentieren, sowie dessen Nutzung im ,Attiki Odos’-Autobahnverkehr zu untersuchen. Dabei konzentriert man sich zunächst auf die Untersuchung der verfügbaren Technologien und die Bewertung der erzeugten Energie, wenn diese Technologie an bestimmten Stellen des griechischen Straßennetzes eingesetzt wird.

Die Arbeit wird mit Hilfe der School of Engineering and Physical Sciences der britischen Heriot-Watt University durchgeführt.

Auch in Italien besteht Interesse an Straßengeneratoren, wie Meldungen vom September 2014 belegen. Hier ist es das Anfang 2011 gegründete Start-up Underground Power, welches mit der patentierten Erfindung einer neuen Pflastertechnologie Energie dort aus dem Verkehr herausziehen will, wo Fahrzeuge zwangsläufig verlangsamen müssen.

Die in Zusammenarbeit mit dem Politecnico di Milano entwickelte Technologie namens Lybra besteht aus einem 3 m breiten und 1 m langen Gerät von 10 cm Höhe, das aus einem Gummi hergestellt ist, wie er bei Reifen zum Einsatz kommt und bündig in den Asphalt eingesetzt wird.

Ein erster Teststreifen war im Sommer am Auchan Shoppin Center in Rescaldina nahe Mailand installiert worden. Den Berechnungen der Ingenieure zufolge sollte eine Kette von zehn Geräten in einem gut befahrenen Kreisverkehr der Lage sein, pro Jahr 100.000 kWh zu erzeugen.

Nachdem die Firma im Jahr 2013 zu einem der ,10 vielversprechendsten grünen Unternehmen Italiens’ gekürt wird, erhält sie 2014 eine ,Rekordfinanzierung’ in Form eines 1-Million-Euro-Kredits von der italienischen Großbank UniCredit. Über konkrete Geschäftsabschlüsse oder kommerzielle Installationen ist aber noch nichts zu finden.

Die nächste Meldung stammt vom Januar 2015. Diesmal ist es die University of Illinois at Chicago (UIC), die gemeinsam mit der ebenfalls Chicago in beheimateten Firma New Energy Innovations Inc. (NEI) das von Ralph A. Black gemeinsam mit Asad Ali erfundene und patentierte Traffic Powered Renewable Energy System (TPRES) weiter optimieren will (US-Nr. 8.754.539, angemeldet 2012, erteilt 2014).

Das TPRES verwendet eine Reihe von Luftpumpen, die innerhalb der Fahrbahn eingebettet sind und Luft komprimieren, wenn Autos darüber fahren. Die Druckluft wird dann verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Ein genauer Preise wird noch nicht genannt, Schätzungen sprechen von 100.000 $ pro Installation, was ziemlich hoch klingt.

Im Frühjahr 2015 will das Unternehmen mit Crowdfunding-Bemühungen beginnen, wobei die Absicht besteht, bereits im Sommer die Herstellung bei der Firma Classic Sheet Metal Inc. in Franklin Park, Illinois, zu starten. Zusätzliches Tiefbau-Know-how und Erhebungen, wo Installationen stattfinden könnten, soll die Firma Hoffman Estates beisteuern. Weitere Neuigkeiten gibt es bislang nicht.

Im Mai 2015 berichtet eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison um Prof. Xudong Wang und sein Doktoranden Yanchao Mao, daß sie innerhalb eines Jahres einen Nanogenerator entwickelt haben, der Energie aus der Reibung eines rollenden Autoreifens erntet (und an den Konzeptreifen BH03 erinnert, den die Firma Goodyear Tire & Rubber Co. im März dieses Jahres präsentiert hatte, s.u. Piezoelektrizität).

Zu Demonstrationszwecken statten die Forscher ein ferngesteuertes Spielzeugauto mit der Technik aus, die mit einer LED verbunden ist, sodaß die Reifen jedes Mal aufleuchteten, wenn gerade Energie gewonnen wird. Weitere Details sind noch nicht zu erfahren.

Über eine weitere Firma, die sich mit Straßengeneratoren befaßt, wird erstmals im April 2015 berichtet. Dabei handelt es sich im die schon 2007 von Jim Nigg gegründete Constructis LLC (Construct Innovative Solutions) in Greenville, die bislang aber noch nie in Erscheinung getreten war.

Das patentierte Roadway Energy Sensory System (R.E.S.S.) besteht aus Modulen, welche die Energie sich bewegender Fahrzeuge, Fahrräder und Fußgänger erfassen und speichern. In Gruppen von je zwei Modulen der Maße 150 x 90 x 90 cm sollen sie in Straßen, Gehwegen, Rampen und Zugängen eingebettet werden. Die Kästen haben kleine vorspringende vertikale Rippen, die nach unten gedrückt werden, wenn Fahrzeuge über sie hinweg rollen.

Ein derartiger Set von Modulen soll je nach Verkehrsdichte zwischen 10 kW und 95 kW pro Tag erzeugen können. Die Kosten samt Installation sollen 10.000 – 20.000 $ betragen.

Constructis ist in der Prototyp-Phase und hofft, ein Modul bereits in diesem Sommer einem Feldtest unterziehen zu können. Es ist jedoch nichts davon festzustellen, daß es bislang tatsächlich dazu gekommen wäre (Stand 2016).

Im Dezember 2015 berichten die Fachblogs darüber, daß Forscher der University of Texas in San Antonio (UTSA) um Prof. Samer Dessouky in Zusammenarbeit mit Lubinda Walubita vom Texas A&M Transportation Institute (TTI) des texanischen Department of Transportation (TxDOT) mit einem Vertrag in Höhe von 1,32 Mio. $ bedacht worden sind, um ein System zu entwerfen, das Energie aus der Bewegung von Fahrzeugen entlang der staatlichen Straßen erntet. Dessoukys Team hat bereits entsprechende Vorarbeiten geleistet.

Die Wissenschaftler, zu denen auch Experten des Southwest Research Institute (SwRI) gehören, wollen piezoelektrische Sensoren entwickeln, die unter Asphaltschichten plaziert Strom für Lichter, Ampeln, Plakate usw. liefern. Ein solches System würde es dem TxDOT auch erlauben, den Zustand der Fahrbahnen kontinuierlich zu überwachen.

Die erste Phase des Projekts, die 18 Monate dauern wird, umfaßt die grundlegende Planung und Entwicklung der Ernte-Module. Diese sollen aus piezoelektrischen Low-Cost-Materialien und -Sensoren hergestellt und 5 cm unter der Fahrbahnoberfläche permanent installiert werden.

Sollten auch die nachfolgenden Phasen grünes Licht bekommen, rechnen die Forscher damit, innerhalb von dreieinhalb Jahren ein vollständiges, funktionales Ernte- und Erfassungssystem bereitstellen zu können.

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch eine Werbekampagne der Firma Volvo für das neue Hybridmodell XC90 T8. In dem 2-minütigen Clip vom April 2016 ist zu sehen, wie über Nacht ein Straßengenerator auf einer gut befahrenen Strecke in Kalifornien installiert wird („Wie hijacked an Highway in California“).

Das peristaltische System des Architekten Bob Partington besteht aus Kautschuk-Matten, unter denen flexible, Wasser führende Schläuche installiert sind, welche zusammengedrückt werden, sobald ein Fahrzeug darüber fährt. Die gewonnene hydraulische Energie wird dann in Strom umgewandelt.

Und während jedes der vorbeifahrenden Autos unwissentlich ein paar Watt in die Akkus des XC90 pumpt, erscheint auf einer gut sichtbaren Werbetafel ein großes Dankeschön, das ein versteckter Beobachter an das jeweils gerade ,angezapfte’ Fahrzeug richtet: „Thank you for the extra miles, Jeep.“

Hinweis: Es gibt noch eine ganze Reihe von Gerätschaften welche den Fahrtwind von Fahrzeugen und Zügen ausnutzen sollen. Diese finden sich im Kapitel Windenergie unter den Neuen Designs und Rotorformen sowie bei den Darrieus-Rotoren (s.d.).

Letztendlich darf man bei all diesen System aber nicht vergessen, daß die derart ,gewonnene’ Energie tatsächlich aus den fossilen Brennstoffen der Fahrzeuge stammt, die ja erst für deren Bewegung sorgen. Ein sinnvoller Einsatz ist daher nur in bestimmten Fällen gegeben, bei denen z.B. längere Kabelstrecken eingespart oder komplizierte Anschlüsse vermieden werden können.

Strömungen

Die Nutzung der Energie aus Strömungen wird in aller Ausführlichkeit in den Kapiteln Wasser- und Windenergie behandelt. Die dortigen Umsetzungen erfolgen jedoch zumeist im Multimeterbereich, während es beim Micro Energy Harvesting um z.T. wesentlich kleinere Dimensionen geht.

Schon 1999 zeigen Prof. Ray Baughman und seine Kollegen der University of Texas at Dallas, daß sich Nanoröhrchen wie Muskeln verhalten, wenn sie einem besonders ausgerichteten elektrischen Feld ausgesetzt werden. Es dauert nicht lange, bis man auch eine umgekehrte Funktion entdeckt. 0950

In Kanada wird im Oktober 2003 das Forschungsergebnis der Wissenschaftler Larry Kostiuk und Daniel Kwok von der University of Alberta veröffentlicht, welche eine elektrokinetische Batterie erfunden haben, die ausschließlich mit Wasser funktioniert – wobei die Umsetzung bzw. Energiewandlung nicht auf dem chemischen Wege, sondern nur mittels der Strömung des Wassers durch mikroskopische Kanäle im Nanoformat erfolgt.

Das Phänomen hatte ein gewisser J. F. Osterle schon im Juni 1964 im Journal of Applied Mechanics beschrieben, ohne daß es damals jedoch zu einer entsprechenden Umsetzung gekommen wäre.

Das nun vorgestellte Labormodell, das auf einer manuell bedienten Einwegspritze beruht, mittels derer das Wasser durch ein 1 cm durchmessendes und 3 mm langes Glasröhrchen gepreßt wird, kann bereits eine LED zum Aufleuchten bringen. Die rund 10.000 Mikrokanäle des Glasröhrchens produzieren einen Output von 10 V und 1 mA. Die Markttauglichkeit soll noch vor Ende der Dekade erreicht werden. Tatsächlich hört man danach aber nie wieder etwas von dem Ansatz.

Schon ein Jahr vor dem kanadischen Team beginnen am India Institute of Science (IISc) Prof. Ajay K. Sood und sein Student Shankar Ghosh mit Versuchen, den Durchfluß von Flüssigkeiten durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen energetisch zu nutzen. Sood hatte den Effekt zum ersten Mal bemerkt, als er studierte, wie eine auf einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebrachte Flüssigkeiten den Fluß der Elektronen leiten kann.

Als die beiden ihre Ergebnisse im August 2004 erstmals veröffentlichen und nachweisen, daß der Durchfluß tatsächlich elektrische Energie produziert, blicken sie bereits auf eine Vielzahl von Experimenten mit flüssigen und gasförmigen Substanzen zurück, bei denen der Strom aufgrund unterschiedlicher Effekte erzeugt wird.

Das Konzept an sich scheint relativ einfach. Wenn Gas auf einen schräg geneigten Draht geleitet wird, erzeugt es ein Druckgefälle, ähnlich dem, was passiert, wenn der Wind auf einen Flugzeugflügel trifft. Dies bewirkt, daß sich die Temperatur des Drahtes ändert, was wiederum einen schwachen elektrischen Strom erzeugt. Das Phänomen tritt aufgrund von zwei bekannten Prinzipien der Physik auf: dem Bernoulli-Prinzip, das beschreibt, wie durch eine Neigung Druckgradienten gebildet werden, und dem Seebeck-Effekt, dem zufolge Druckänderungen zu Temperaturunterschieden führen, die wiederum Strom erzeugen.

Das Ganze bekommt schnell den Namen ‚Sood-Effekt’ vepaßt und bringt eine Reihe neuer Patente hervor. Großes Interesse besteht darin, mit einer entsprechenden technischen Umsetzung Herzschrittmacher betreiben zu können – alleine mittels der Blutströmung des betroffenen Patienten, das durch den Nanogenerator hindurchfließt. Neben Blut läßt sich der Durchflußgenerator aber auch mit salzigen Lösungen betreiben.

Das IISc-Team vergibt eine Exklusivlizenz an das im Jahr 2006 gegründete US Start-Up Trident Metrology Inc. im kalifornischen Pleasanton, wo man sich nun damit beschäftigt, mittels der von Sood vorgeschlagenen Methode Prototypen marktfähiger Gas-Durchflußsensoren zu entwickeln. Außerdem beantragt das Team weitere Patente für den Einsatz von Nanoröhrchen als Vibrationssensoren innerhalb von Flüssigkeiten sowie als Beschleunigungsmesser an festen Oberflächen, die beispielsweise die Erschütterungen bei Erdbeben aufzeichnen können. Doch auch in diesem Fall scheint es später nicht mehr weitergegangen zu sein - und auch das genannte Unternehmen ist nicht mehr aufzufinden.

In einem Konferenzbeitrag auf dem Internationalen Forum Mechatronik im September 2007 in Winterthur, Schweiz, berichten die Autoren Friedemann Tonner und José Israel Ramirez von der Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) in Stuttgart über verschiedene energieautarke Sensor-Aktor-Systeme und nennen dabei auch mehrere Ansätze zur Energiekonversion an pneumatischen Systemen, wie magnetohydrodynamische Wandlung, Wirbelstraßenenergienutzung und fluidische Oszillatoren zur Schwingungserzeugung. Insbesondere die letzteren sind wegen ihrer einfachen Bauart und Robustheit als Wandler für Strömungsenergie attraktiv.

Im  November 2008 folgt, gemeinsam mit Axel Bindel, ein Bericht unter dem Titel ,Fluidic oscillations as energy source for flow sensors’, der auf dem 2nd Symposium on Micro Environmental Machine Systems an der Tohoku University im japanischen Sendai vorgelegt wird.

Darin beschreiben die Wissenschaftler wie fluidische Schwingungen als Energiequelle für autarke Sensoren verwendet werden können. Hierfür entwerfen, simulieren und testen sie einen fluidischen Oszillator, der auf dem Coanda-Effekt basiert und in der Lage ist, in den Medien Luft und Wasser zu arbeiten. Die Messungen zeigen, daß der Oszillator durch Kopplung einer piezoelektrischen Kammer an einen seiner Kanäle etwa 150 µW Leistung ernten kann, was mittels zukünftiger Arbeiten weiter optimiert werden soll.

Das nächste Papier wird auf der Chemnitzer Fachtagung Mikrosystemtechnik im November 2009 vorgelegt. Unter dem Titel ,Fluidischer Oszillator zur Erzeugung elektrischer Energie’ untersucht A. Wilde mit Hilfe von Simulationen und Experimenten ein Oszillator, der eine Freistrahlschwingung mit Helmholtzresonatoren stabilisiert. Dabei ist die Schwingungsfrequenz des Oszillators nur wenig von der Einströmgeschwindigkeit abhängig.

Aus den Simulationen folgt, daß mit einem Oszillator von 56 mm Breite und 2 mm Höhe beim Betrieb in Luft und einer Druckdifferenz von 8 kPa einige Milliwatt elektrische Leistung erzeugt werden können, was zum Betrieb eines drahtlosen Sensors ausreicht.

Die Fluid-Strom-Umwandlung erfolgt in einem festen Gehäuse, durch welches das Medium auf einem Kurs geführt wird, der der Blutzirkulation im Herzen ähnelt. Der Coanda-Effekt bewirkt, daß der konstante Fluid-Strom zu oszillieren beginnt, wodurch eine periodische Druckschwankung in den Rückkopplungszweigen entsteht, an die Piezo-Keramiken gekoppelt sind.

Die fluidische Umwandlung gilt als einfach und kostengünstig und hat den Vorteil, daß sowohl Luft als auch Wasser verwendet werden kann, um Energie zu erzeugen. Zudem gibt es keine beweglichen Teile in dem System. Ziel der Forscher ist es, für ansonsten batteriebetriebene Geräte, wie zum Beispiel Wasserzähler, mit einer autonomen Energieversorgung zu bestücken, die auf fluidischen Oszillatoren basieren.

Da die Entwicklung im Rahmen der Fraunhofer-Gesellschaft erfolgt, liegt der Schwerpunkt auf der wissenschaftlichen Analyse – und weniger auf einer Umsetzung, von der bislang auch nichts zu sehen ist. Auf dem Markt befindliche Wasserzähler, die mittels der Fluidikoszillator-Technologie arbeiten, wie z.B. der SM700 der Firma Elster Metering (später von Honeywell übernommen), nutzen das Phänomen energetisch nicht aus, sondern sind mit Batterien ausgestattet.

Forscher der Monash University in Australien wiederum arbeiten Anfang 2009 an ‚Mikrobot-Motoren’, die konzipiert sind um durch den Blutkreislauf des Menschen zu schwimmen. Der passende Name ist schnell gefunden: Proteus – nach dem Mini-U-Boot, das in dem SF-Film Fantastic Voyage aus dem Jahr 1966 eine Reise durch den menschlichen Körper macht.

Der nun vorgestellte kleine piezoelektrische Ultraschall-Resonanzmotor ist 250 µm breit, was der zweieinhalbfachen Breite eines Haares entspricht. Die Mikro-Automaten sollen sich ihren Strom selbst aus der Fließenergie des Blutes beschaffen, während sie die Blutbahnen nutzen um Methoden der minimal-invasiven Chirurgie umzusetzen.

Der Mikro-Robot könnte winzige Kameras und Sensor-Ausrüstungen mit sich führen und hätte auch Zugang zu sonst kaum erreichbaren Teilen des Körpers, wie beispielsweise zu einer von einem Schlaganfall geschädigten Arterie im Gehirn, die nicht mittels Kathetern behandelt werden kann.

Damit sich der Spermien-artige Proteus fortbewegen kann, bringt ein Vibrationsmotor einen spiralförmigen Schwanz, der ähnlich wie bakterielle Flagellen als eine Art Propeller fungiert, auf eine Umdrehungszahl von 1.295 U/m.

Weitaus größer sind demgegenüber Geräte, welche die Strömung des Fahrtwinds umsetzen. Über einige davon spreche ich ausführlich im Kapitel Windenergie (s.u. Neue Designs und Rotorformen).

Besser in den hier behandelten Bereich des Micro Energy Harvesting gehört dagegen das Konzept des Designers Wai Hoong Leng aus Malaysia, der einen Fahrradhelm mit eingebautem Windrad namens Wind-Helmet entwickelt hat, mit dem er sich im Februar 2009 an dem internationalen Corr77-Designwettbewerb beteiligt. Von einer Umsetzung ist bislang nichts zu sehen.

Die Idee zu dieser Technologie ist im Grunde nicht neu, auch wenn eine ihrer interessantesten Umsetzungen weitgehend unbekannt ist: So werden kleine Windräder z.B. schon seit vielen Jahren bei Flugzeugen eingesetzt, um mit der durch die Luftströmung anfallenden Energie vitale Instrumente wie das Radar oder Teile der Hydraulik weiterarbeiten zu lassen, sollten die Primärenergiesysteme einmal ausfallen.

Diese sogenannten Ram Air Turbines (RAT) fahren sich in solch einem Fall automatisch aus und ‚fallen’ quasi in den Luftstrom. Durch die Geschwindigkeit des Flugzeugs ergeben sich dabei beachtliche Energiemengen von bis zu 70 kW. Beim größten Passagierjet der Welt, dem Airbus A380, besitzt das ausgeklappte RAT-Windrad einen Durchmesser von knapp 1,60 m – was im Grunde schon über die Dimensionen des Micro Energy Harvesting hinausgeht.

Ebenfalls Anfang 2009 wollen Forscher am City College of New York (CCNY) diese Idee in deutlich kleinerem Maßstab auch im Automobilbau anwenden. Die Wissenschaftler um Prof. Yiannis Andreopoulos am Experimental Fluid Mechanics and Aerodynamics Laboratory entwickeln hierfür einen Energy Harvester, der an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs montiert werden kann, um aus dem Fahrtwind Elektrizität zu erzeugen.

Dabei handelt sich um 3 x 2 x 0,2 cm große zylindrische Objekte, die sich überall am Fahrzeugrumpf oder an der Karosserie befestigen lassen. Ebenso ist eine Installation an der Außenseite von Flugzeugen möglich. Das Substrat ist ein Mylar-basierte Kunststoff mit piezoelektrischem Material von nur 18 µm Dicke auf der Oberseite. Durch die elastische Verformung dieser Aufsätze stellt sich ein piezoelektrischer Effekt ein.

Eine seitlich angebrachte Form erweist sich sowohl während der Computersimulationen als auch im Windkanal als besonders gut geeignet, da der Zylinder hier in positive Schwingungen gerät, die den piezoelektrischen Effekt - zusätzlich zur auftretenden Windverwirbelung als Hauptenergieträger - noch weiter verstärken.

Im August 2010 startet ein von der National Science Foundation mit 364.684 $ gefördertes Forschungsvorhaben unter dem Titel ,Fluidic Energy Harvesters: A case of Aero-Electro-Mechanical Interaction’, dessen Abschluß im Juli 2014 erwartet wird. Hierbei soll Andreopoulos gemeinsam mit seinen Kollegen Niell Elvin und Oleg Goushcha die Leistung einzelner Konfigurationen von Windenergie-Erntern erkunden, die optimal in einem Strömungsfeld positioniert werden.

Auf dem Weg zu einem grundlegenden Verständnis der dreifach gekoppelten Wechselwirkung zwischen den Luftbewegungen, der Dynamik der schwingenden Struktur und dem elektrischen Feld des piezoelektrischen Materials sollen detaillierte Abbildung der Strömungsfelder Informationen darüber liefern, wo das Energie-Ernten die maximale oder optimale Leistung bringt.

Tatsächlich erscheinen bis zum Projektende vier Publikationen von Andreopoulos und weiteren Mitgliedern seiner Forschungsgruppe, bei denen es u.a. um die Leistung eines selbsterregten, fluidischen Energie-Ernters (,The performance of a self-excited fluidic energy harvester’, 2012) oder um die Wechselwirkungen zwischen Wirbeln und einem flexiblen Ausleger geht (,Interactions of vortices with a flexible beam with applications in fluidic energy harvesting’, 2014).

Auch das 10. Kapitel des im Januar 2013 erschienenen Buches Advances in Energy Harvesting Methods, das sich mit strömungsinduzierten Vibrationen für das piezoelektrische Energy Harvesting beschäftigt, stammt aus der Feder des CCNY-Teams. Hierbei geht es u.a. um das Potential turbulenter Grenzschichten für das Energy-Harvesting.

Im Juli 2015 meldet die Research Foundation of the City University of New York das Patent für einen ,Fluidic energy harvester using active material’ an, als dessen Erfinder Andreopoulos, Elvin und Goushcha genannt werden (US-Nr. 20160087556, veröffentlicht 2016). Von einer praktischen Umsetzung ist bislang nichts bekannt.

Eine aus meiner Sicht geniale Umsetzung von Windströmungen bildet das Prinzip des Windbelt von Shawn Frayne, das ich ebenfalls im Kapitel Windenergie ausführlich darstelle (s.d.).

Ich denke, daß es sich bei dieser, bereits 2007 bekannt gewordenen, Methode um die einfachste, am leichtesten herstellbare und auch langlebigste Form aller bislang bekannten Technologien handelt, Strömungsenergie der Luft in Elektrizität umzuwandeln – mit einem Gummiband, einer winzigen Kupferspirale und zwei kleinen Magneten. Und schon die kleinsten Prototypen erreichten bei einer 16 km/h Brise einen Output von 40 mW.

Die Strömungen innerhalb von Leitungen – im vorliegenden Fall von Gasleitungen – zu nutzen, ist Inhalt einer im Januar 2009 erstmals publizierten Methode der britischen Firma 2OC.

Das Unternehmen hat den Plan, den Druck aus dem Erdgasnetz, der vor der Verteilung des Gases an die Endabnehmer wieder reduziert werden muß, energetisch zurückzugewinnen. Bis 2010 möchte man damit alleine nur im Osten Londons bis zu 20 MW Leistung generieren. Insgesamt wird im Vereinigten Königreich von einem Gesamtpotential von bis zu 1 GW ausgegangen. Die energetische Nutzung des Erdgas-Druckabbaus würde dezentral mittels 20 cm großen ‚Turbo-Expandern’ auf den Rohrleitungen erfolgen.

Leider läßt sich später nichts mehr über diesen Ansatz finden.

Da Flüssigkeiten bekanntermaßen eine weit höhere Dichte als Gase haben, werden inzwischen auch Systeme zur Nutzung der Strömung in Wasserleitungen entwickelt. Im Januar 2009 präsentiert der Designer Jin Woohan auf der Greener Conference in New York beispielsweise eine Mini-Hydro-Turbine, die durch den Wasserdruck aus der Leitung angetrieben Elektrizität erzeugt und als Ladegerät für kleine Elektrogeräte dienen soll.

Immerhin gehen in Deutschland pro Person beim Duschen täglich 20 - 40 l Wasser durch den Abfluß, für die Toilette werden noch einmal 40 l und für die sonstige Körperpflege 5 - 15 l veranschlagt. Rechnet man weitere Verbraucher wie Wasch- oder Spülmaschinen hinzu, das Wässern von Balkon- oder Gartenpflanzen usw., kommen über den Monat hinweg signifikante Mengen an Wasser – und damit an potentiell nutzbarerer Energie zusammen.

Das Shawapawa wiederum ist eine Wasser-angetriebenes, batteriefreies Radio für die Dusche, mit dem sich der britische Designer Arthur Schmitt beim Core77 Wettbewerb im Februar 2009 bewirbt.

Dabei reicht es aus, das Gerät zwischen dem Wasserhahn und dem Brauseschlauch zu installieren. Das Wasser bringt eine kleine Turbine zum drehen, was ausreichend Energie erzeugt um das Radio zu betreiben.

Um das Wassersparen zu fördern, kann der Benutzer dessen Fluß mit dem leichten Antippen einer Taste stoppen, z.B. während des Einseifens. Sollten beim Duschen über 30 l Wasser verbraucht werden, beginnt eine Warn-LED zu blinken.

Anfang 2011 wird von dem britischen Online-Shop Gizoo ein fast gleichartiges Gerät angeboten – zu einem Preis etwas mehr als 40 €.

Das von Vivian Blick entwickelte und vermutlich von der Firma Tango Group aus Gloucester hergestellte H2O Radio bezieht seinen Strom ebenfalls aus dem Wasserdruck, wobei die eingebaute Mikroturbine 1,6 bar in ca. 2,4 V bei 60 mA umwandelt.

Zur Energiespeicherung besitzt das patentierte Gerät (EU-Nr. 1037472, nicht verifiziert) zudem einen einen AAA-Akku, der alle paar Jahre ersetzt werden muß. Beim aktuellen Update 2016 ist das Radio aber nicht mehr im Angebot.

Ein Duschkopf mit eigebauten LED-Licht wird im April 2009 in den Blogs vorgestellt. Das ECOLight von Osram-Silvanya beleuchtet jeden Duschgang – ohne hierfür Batterien zu benötigen, da es sich dank einer kleinen Wasserturbine selbst mit Strom versorgt.

Als zusätzliches Feature färbt sich das ECOLight rot, falls die Wassertemperatur auf über 41°C steigt. Das Gerät kostet 40 $.

Die indirekte Energie des Regens nutzt ein Design-Konzept von Cheolyeon Jo und Youngsun Lee, das im November 2009 auf der Messe 100% Design Tokyo vorgestellt wird.

Die in den Boden eingelassenen Eco Sign Scheiben, die wie digitale Gully-Deckel aussehen, haben es in sich: Je nachdem, auf welchen der vier Fußtaster man 2 Sekunden lang drückt, erscheinen Richtungspfeile zur nächsten Bus- oder U-Bahn-Station – samt Angaben über die nächsten Abfahrtzeiten.

Unter dem Display ist ein Rotor versteckt, der von dem hinein- und hindurchfließenden Regenwasser betrieben wird um die Stromversorgung des Systems zu gewährleisten.

Bei dem Wettbewerb Ecomagination Challenge der Firma General Electric (GE) werden im November 2010 neben den zwölf Hauptgewinnern auch noch fünf Innovationspreisträger ausgezeichnet, die jeweils 100.000 $ erhalten.

Unter diesen ist auch die 2006 gegründete Firma Capstone Metering LLC aus Plano, Texas, die einen Wasserzähler entwickelt, der den Wasserdruck im Inneren verwendet, um die Leistungsüberwachungs-  und Kommunikations-Hardware zu betreiben. Der als revolutionär bezeichnete Wasserzähler namens IntelliH₂O besitzt eine integrierte Druck-  und Temperaturerfassung, ein System zur drahtlosen 2-Wege-Kommunikation und eine ebenfalls integrierte Energieerzeugung mit Akku-System.

Nachdem die Firma Chickasaw Nation Industries Inc. (CNI) im Juli 2011 eine Beteiligung an der Capstone Metering erwirbt (die im November weiter aufgestockt wird), kann das Unternehmen in Partnerschaft mit der Firma Honeywell Business Solutions zwischen August und Oktober ein erstes Pilotprogramm durchführen. Dabei werden in Ponca City, Oklahoma, 20 Stück der neuartigen Wasserzähler installiert und mit großem Erfolg getestet.

Im Jahr 2012 erhält Capstone das erstes internationale Patent – und kommt 2013 tatsächlich mit seinem Produkt auf den Markt.

Im selben Jahr kann sich die Schweizer Firma Amphiro AG aus Zurich schon über die erste Bestellung freuen. Die 2009 von Thomas Stiefmeier und Thorsten Staake gemeinsam mit ihren Doktorvätern Gerhard Tröster und Elgar Fleisch als Spinoff der ETH gegründete Firma entwickelt eine Verbrauchsanzeige für die Dusche, deren Energie durch einen integrierten patentierten Mikro-Generator gewonnen. Der vom Wasserfluß angetriebene Generator versorgt die Elektronik mit Strom und dient gleichzeitig als Sensor für die Wassermenge.

Die vom Zürcher Energieversorger ewz eingegangene Bestellung über 6.000 Verbrauchsanzeigen kommt noch bevor die grundsätzliche Herausforderung gelöst ist: Das

Ersetzen der sonst üblichen Batterie durch eine andere und ,nachhaltige’ Energiequelle. Nun werden Patente eingereicht und zahlreiche Prototypen entwickelt.

Zudem gelingt es im Jahr 2012 durch ein Projekt der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) zusammen mit der ETH Zürich und der Hochschule Luzern (HSLU) den Bereich Forschung und Entwicklung auszubauen – und mit der Firma Flextronics mit Sitz in Singapur ein Großunternehmen als Produktionspartner zu gewinnen.

Ebenfalls 2012 unterstützt das Bundesamt für Energie die erste ETH/HSLU-Studie, bei der die Wirkung von Echtzeit-Feedback auf den Verbrauch untersucht wird. Die damit belegten dauerhaften Einsparungen von 452 kWh pro Jahr und durchschnittlichen Haushalt (2,1 Personen) übertreffen deutlich die Erwartungen. Das Standardgerät amphiro a1 basic wird für knapp 70 € angeboten.

In den Folgejahren weden gemeinsam mit großen Unternehmen Pilotprojekte in der Schweiz (mit der Schweizerischen Mobiliar), in Singapur (mit dem Public Utility Board), den Niederlande (mit PWN) und Südkorea (mit KEMCO) durchgeführt, die alle die Ergebnisse bestätigen.

Eine im November Jahr 2013 gestartete Crowdfunding-Kampagne auf indiegogo, bei der 50.000 $ für die Weiterentwicklung eingesammelt werden sollen, erbringt aber nur rund ein Fünftel dieser Summe (10.841 $). Statt dessen kann Amphiro 2015 die bereits genannte Schweizerische Mobiliar als Investor gewinnen, um den Bereich Smart Home sowie den Vertrieb weiter auszubauen.

Als im Mai 2016 das Modell amphiro b1 connect als zweites Produkt auf den Markt kommt (knapp 80 €), das Daten mit Smartphones und der amphiro cloud synchronisiert, blickt das junge Unternehmen bereits auf über 30.000 verkaufte Produkte zurück – die besonders im Blick auf Kinder mit einer Eisbär-Animation auf dem Display aufwarten.

Ein vom Einsatzzweck her fast identisches Konkurrenzprodukt aus Mexiko namens Driblet, das aber noch lange nicht so ausgereift ist wie die vorangestellten Modelle, geht auf die drei Gründer Rodolfo P. Ruiz, Carlos Mosqueda und Mario García zurück.

Auch in diesem Fall ist eine Ende 2013 durchgeführte Crowdfunding-Kampagne auf DragonInnovation nicht besonders erfolgreich: Statt der 98.000 $ als Zielvorgabe kommen bis zum Dezember gerade einmal 6.899 $ zusammen. Bis zum fertigen Produkt scheint es daher noch ein längerer Weg zu sein.

Ein interessanter Bericht im April 2011 betrifft den Prototypen einer neuen Windkraft-Technologie, der von Hyung-Jo Jung und Seung-Woo Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) in Daejeon, Südkorea, entwickelt und gebaut worden ist. Lee leitet gleichzeitig auch die Firma TESolution Co. Ltd. (Total Engineering Solution) in Gyeonggi-do (s.u.).

Neben ihrer Nutzung in Form anmutiger Segelboote, riesiger Turbinen und hoch fliegender Drachen, kann die Windenergie auch großen Schaden anrichten und mit ihren Turbulenzen Brücken und andere Bauwerke zerstören – wofür als Beispiel immer wieder die Tacoma-Narrows-Hängebrücke aufgeführt wird, welche im November 1940 durch einen quer zur Brücke verlaufenden Starkwind dermaßen stark in eine sich aufschaukelnde Schwingung geriet, daß sie letztlich einstürzte (wakegalloping phenomenon).

Genau diese zerstörerischen Kräfte wollen die koreanischen Forscher nun verwenden, um Energie zu erzeugen, indem sie eine bestimmte Art instabiler Luftströmungen nutzen, die zylindrische Objekte in Schwingung versetzen. Wenn der Wind beispielsweise einen horizontalen Zylinder passiert, entstehen auf der Lee-Seite (d.h. der windabgewandten Seite) Wirbelströme, die im allgemeinen als Wirbelschleppen bezeichnet werden.

Diese induzieren eine Hubkraft auf einen Zylinder im Weg dieser Verwirbelungen - jedoch nur, wenn die beiden den gleichen Durchmesser haben und der zweite Zylinder 3 – 6 Durchmesserlängen von dem ersten entfernt ist. Das Gewicht des leeseitigen Zylinders wirkt dem Auftrieb entgegen, indem es ihn wieder nach unten zieht. Dadurch bewegt sich der Zylinder immer wieder auf und ab, solange der Wind bläst. Es ist diese Bewegung, die Jung und Lee als Energiequelle zu nutzen hoffen.

Basierend auf Windkanal-Versuchen, um die Bedingungen beim Auftreten des Phänomens besser zu verstehen, wird ein Prototyp aus zwei 85 cm langen und 5 cm durchmessenden Stangen aus Plexiglas, die in einem entsprechenden Abstand voneinander angeordnet sind, entwickelt und hergestellt. An dem Stab auf der Leeseite wird ein Magnet angebracht, der sich innerhalb einer Kupferspule frei bewegen läßt. Sobald sich der zylindrische Stab bewegt – und damit auch der Magnet –, wird in die Spule ein Strom induziert.

Das Team stellt fest, daß das System auch bei Windgeschwindigkeiten von 2,5 – 4,5 m/s, bei denen traditionelle Windturbinen ineffizient sind, ein Strom von etwa 370 mW erzeugt wird, was den Wissenschaftlern zufolge durch eine Optimierung der Magnete und Spulen verbessert werden könnte. Zudem versuchen sie effizienteste Größe des Geräts herauszufinden, bevor sie daran gehen wollen, es zu vermarkten.

Als eine der vielversprechendsten Anwendungen wird die Überwachung der strukturellen Integrität von Bauwerken wie Brücken oder Hochhäuser genannt, indem das neue Gerät die entsprechen drahtlosen Sensoren mit Strom versorgt. Werden genug von den Generatoren zusammen gruppiert, könnten sie aber auch Strom für die Straßenbeleuchtung einer Brücke liefern.

Die oben genannte, im Jahr 2001 gegründete Firma TESolution befaßt sich in erster Linie mit Windkanal-Test für Brücken und Gebäude sowie der Entwicklung und Herstellung aktiver Schwingungsdämpfer für diese. Daß sie sich kommerziell mit der neuen Windkraft-Technologie beschäftigt, ist noch nicht festzustellen (Stand 2016). Eine sehr ähnliche Umsetzung im Bereich der Meeresströmungen ist unter dem Namen VIVACE bekannt. Ich berichte darüber im entsprechenden Kapitel (s.d.).

Eine Mini-Turbine, die den Blutstrom im menschlichen Körper nutzt, um diesen in elektrische Energie umzuwandeln und damit beispielsweise Herzschrittmacher zu betreiben, wird von dem Schweizer medizintechnischen Ingenieur Alois Pfenniger im Rahmen seiner Doktorarbeit gemeinsam mit Kollegen der Berner Fachhochschule sowie der Universität Bern entwickelt, wie im Mai 2011 zu erfahren ist. Die Funktion der Turbine ist dabei im Prinzip dieselbe wie bei einem Wasserkraftwerk, schließlich verfügt das menschliche Herz über eine Leistung von 1 – 1,5 W hydraulischer Leistung.

Die Idee, die am Artificial Organ Center for Biomedical Engineering (ARTORG) entwickelt wurde basiert darauf, die winzige Turbine direkt in eine kleine Arterie einzubauen, die nah dem zu versorgenden Implantat liegt. Den produzierten Strom speichert ein Kondensator und gibt ihn dann an das Implantat ab. Um die Leistung des Geräts zu prüfen, wird es in einen Schlauch eingebaut und im Rhythmus des Herzens Wasser hindurch gepumpt.

Die Entwickler stellen im Rahmen der Konferenz Microtechnologies in Medicine and Biology in Luzern drei verschiedene Modelle der Mini-Turbinen vor, deren effizienteste Ausführung rund 800 µW zur Verfügung stellt. Ein allerdings noch zu lösendes Problem ist, daß durch Turbulenzen, die von der Turbine erzeugt werden, Blutgerinnsel entstehen können. Zudem muß die Form der Turbine in Computersimulationen noch optimiert und der gegenwärtig 10 mm betragende Durchmesser verkleinert werden, um in menschlichen Arterien Platz zu finden, deren Innendurchmesser nur etwa 3 mm beträgt.

Im Februar 2013 folgt ein Papier, an dem auch Rolf Vogel, Volker M. Koch und L. N. Wickramarathna beteiligt sind, das einige wesentliche Aspekte der Gestaltung und Umsetzung  von Mikrogeneratoren beleuchtet, die intrakorporale Energie verwenden. Im Gegensatz zur Strömung als Energiequelle, wird hier die Energie der arteriellen Expansion und Kontraktion abgefangen, um ein implantiertes medizinisches Gerät zu betreiben.

Nach Auswertung verschiedener potentiell realisierbare Transduktionsmechanismen wird ein Prototyp hergestellt, der einen elektromagnetischen Übertragungsmechanismus verwendet. Dabei wird die Arterie in eine laborgefertigte, flexible Spule eingesetzt, die sich in einem Magnetfeld frei verformen kann. Außerdem wird eine theoretische Modellierung des Prototyps entwickelt, um mit den experimentellen Ergebnissen verglichen werden zu können.

In der Arbeit werden auch die Auswirkungen der Materialeigenschaften der Arterienwand auf das Energiegewinnungspotential untersucht. Zu diesem Zweck testet man zwei Arten von Arterien: einen sogenannten Penrose-Schlauch (wie er für die postoperative Drainage eingesetzt wird), der sich elastisch verhält, sowie die Arterie eines Göttinger Minischweins, die sich viskoelastisch verhält. Ein erkennbarer Unterschied kann dabei nicht beobachtet werden. Die durchschnittlich erntebare Leistung der Schweinearterie beträgt 42 nW, ein Spitzenwert wird mit 2,38 µW erreicht.

m März 2014 veröffentlicht das Team, diesmal gemeinsam mit Magnus Jonsson vom ARTORG, einen Bericht über die Leistungsanalyse eines Miniatur-Turbinen-Generators zum intrakorporalen Energy Harvesting. Dabei geht es um die technische Machbarkeit, 1 mW zu ernten, durch Verwendung einer Mini-Turbine, die von etwa 1 % des aus dem Herzen in eine periphere Arterie strömenden Bluts betrieben wird.

Zu diesem Zweck werden eine numerische Modellierung der Strömungsmechanik sowie die experimentelle Überprüfung der Gesamtleistung einer Reibungsturbine im Maßstab 1: 1 in vitro durchgeführt. Das numerische Strömungsmodell wird in Bezug auf die hydromechanische Effizienz einer Reihe von Turbinenkonfigurationen und Strömungsbedingungen validiert (bis zu 250 ml/min), während mit der noch nicht optimierten Konfiguration der Studie bis zu 15 % erreicht werden. Über eine praktische bzw. kommerzielle Umsetzung verlautete bislang noch nichts.

Wie sich eine geringvolumige Strömung sinnvoll auch für ganz andere Zwecke als nur für die Energieerzeugung nutzen läßt, belegen im Mai 2011 die Meldungen über einen Roboter, der Wände hinauf klettern und sich sogar mühelos an Decken halten kann.

Der von Forscher der Canterbury University in Neuseeland entwickelte Roboter verwendet spezielle Greifer, die eine auf nahezu jeder Oberfläche wirkende Haftkraft erzeugen. Diese entsteht durch sich mit Überschall bewegende, extrem komprimiert Luft, die einen Niederdruck-Wirbel erzeugt, die den Roboter in die Richtung von Oberflächen zieht, ohne diese aber tatsächlich zu berühren. Um entlang dieser Oberflächen zu gleiten bzw. zu rollen, macht der Roboter Gebrauch von Rädern, obwohl die Greifer mit diesen nie in direkten Kontakt kommen.

Eine ähnliche Gecko-inspirierte Version, die fast zeitgleich von Forschern der Zhejiang University in China vorgestellt wird, wird fast vollständig durch die Wasserströmung betrieben, was sehr sinnvoll ist, da dieser ebenfalls senkrecht kletternde Roboter dafür gedacht ist, Fensterscheiben zu waschen – wofür ja auch Wasser benötigt wird.

Auch diese Version erzeugt einen Unterdruck, der sie in Richtung Oberflächen zu ziehen hilft, wobei dies im vorliegenden Fall unter Verwendung von Wasser geschieht. Saugnäpfe an den Beinen des Roboters tragen dazu bei, daß der Roboter an Fenstern kleben und sich bewegen kann.

In beiden Fällen umgehen diese Roboter eines der Hauptprobleme ihrer batteriebetriebenen Verwandten, die unnötig viel Energie verbrauchen, um ihre eigene, durch die Batterien beschwerte Masse zu bewegen.

Im Juli 2011 wird bekannt, daß Forscher um Prof. Nikhil Koratkar am Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, eine neue Methode entwickelt haben, um mittels einer Graphen-Beschichtung Energie aus fließendem Wasser zu gewinnen. Da die neue Technologie nur geringe Mengen an Strom erzeugt, soll sie primär für selbstversorgende Mikrosensoren in der Ölförderung und Mikro-U-Boote verwendet werden, welche ihre Energie durch eine Graphenschicht auf dem Rumpf ernten.

Für ihre Arbeit verwenden die Forscher Graphen, das durch chemische Dampfabscheidung auf einem Kupfersubstrat zum wachsen gebracht und dann auf Siliziumdioxid übertragen wird. Durch Anwendung von Molekulardynamik-Simulationen entdecken sie, daß wenn Wasser über das Graphen fließt, mitgeführte Chlorionen an dessen Oberfläche haften bleiben.

Da die Wasser fließt, bewirkt die Reibungskraft zwischen dem Wasserstrom und der Schicht aus adsorbierten Chlorionen, daß diese entlang der Strömungsrichtung driften. Die Bewegung dieser Ionen zieht die freien Ladungen im Graphen mit sich, was zu einem internen Strom führt. Mit einem Graphen-Blatt von 0,03 x 0,05 mm kann das Team 85 nW Leistung erzeugen. Ein ähnlicher Effekt war schon zuvor bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen beobachtet worden, doch die Energie-Erntefähigkeit von Graphen liegt zumindest eine Größenordnung höher.

Obwohl dies eine sehr geringe Menge ist, sollte es ausreichen um winzige Sensoren mit Strom zu versorgen, die in Wasser oder anderen Flüssigkeiten eingebracht in eine potentielle Ölquelle gepumpt werden könnten. Wenn sich das injizierten Wasser tief in der Erde durch natürlich auftretende Risse und Spalten bewegt, sollen die Sensoren das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen erkennen und damit helfen, Erdöl und Erdgas zu finden.

Koratkars Gruppe hatte im März 2010 eine Förderung in Höhe von 1 Mio. $ durch das Advanced Energy Consortium erhalten, einer Vereinigung zur Entwicklung neuer Öl- und Gasgewinnungstechnologien, der Firmen wie BP, Shell und Halliburton sowie Forschungseinrichtungen wie das Rennsselaer Polytechnic Institute angehören.

Ebenfalls im März 2010 erscheint in den Blogs das Konzept für eine neue Methode, mit einer Flüssigkeitsströmung für die Beleuchtung in Gebäuden zu sorgen.

Die Idee der Designer von Hrieve mit Büros in Mexico und London basiert darauf, Gebäude als Lebewesen mit Energiefeldern zu verstehen, die durch Adern wie Wasserleitungen, die Kanalisation und Strom gespeist werden, die durch Wände und Decken führen.

Auch zur Energieversorgung der Hydroelectric Lamp werden Ströme genutzt, die durch unsere Wände laufen – und zwar die des Wassers. Verwendet wird die gleiche Technik wie bei einer herkömmlichen Wasserturbine, aber in einem sehr viel kleineren Maßstab.

Dabei wird eine Box mit einer Mikroturbine in das bestehende Leitungsnetz installiert, dort wo das Wasser aus der Hauptleitung kommt, und bevor es bei den Verbrauchspunkten austritt. Jedes Mal, wenn jemand den Wasserhahn aufdreht um zu duschen, das Geschirr zu spülen oder die Toilettenspülung betätigt, wird die Strömung des Wassers durch die Rohrleitungen verwendet, um die Turbine zu drehen, welche die Bewegung in elektrischen Strom umwandelt. Dieser wird in einer Batterie in der Wand gespeichert, bevor er die Glühbirne zum Erleuchten bringt.

Im Mai 2012 berichten Forscher um Zhaochu Yang am Vestfold University College in Norwegen, daß sie eine einfache, effiziente Energiegewinnungsvorrichtung geschaffen haben, welche die Bewegung eines einzelnen Tropfens verwendet um elektrische Energie zu erzeugen. Die neue Technologie sei besonders geeignet für die Gewinnung von Energie aus Niederfrequenzquellen wie den Bewegungen des menschlichen Körpers. Die weiteren Teammitglieder sind Einar Halvorsen vom University College Southeast Norway und Tao Dong von der University of Jinan in China.

Der kleine Ernter erzeugt Strom, wenn ein elektrisch leitendes Tröpfchen (Quecksilber oder eine ionische Flüssigkeit) an dünnen, mikrostrukturierten Material entlang gleitet, das Elektret-Film genannt wird. Diesem wird während der Abscheidung eine permanente elektrische Ladung eingebaut. Zyklisches Kippen der Vorrichtung bewirkt, daß das Tröpfchen über die Filmoberfläche beschleunigt, wobei die maximale Ausgangsspannung (und Leistung) auftritt, wenn es an einem Ende des Films seine maximale Geschwindigkeit erreicht.

Ein Prototyp der fluidischen Vorrichtung zeigt eine Spitzenausgangsleistung von 0,18 µW, wobei ein einzelner Tropfen von 1,2 mm Durchmesser verwendet wird, der entlang eines 2 µm dicken Elektret-Films gleitet.

Die drei Studenten der Universidad Tecnológica de México (UNITEC) Omar Enrique Leyva Coca, Romel Brown und Gustavo Rivero Velázquez stellen im April 2014 ein Mikroturbinen-basiertes System vor, das zur Erzeugung von Strom bei einkommensschwachen Familien verwendet wird.

Ihr Pluvia genanntes System nutzt den Fluß von Regenwasser aus der Dachrinne, um eine Mikroturbine in einem zylindrischen Gehäuse zu drehen. Der Generator mißt 51 x 254 mm und erhält das Wasser durch ein Halbzoll-Rohr. Der erzeugte Strom wird verwendet um 12 V Batterien aufzuladen, deren Energie dann zum Betrieb von LED-Lampen oder anderen kleinen Haushaltsgeräte genutzt wird.

Sobald das Wasser durch die Mikroturbine geflossen ist, passiert es einen Aktivkohlefilter, der das Dachwasser reinigt, und landet dann – ebenso oder sogar sauberer als das Wasser im Versorgungsnetz von Mexico City – in einen Lagertank zu späteren Gebrauch. Das Pluvia-System wurde bereits in der Iztapalapa community getestet. Die Universität hofft nun, die Leistung des Systems zu erhöhen, daß es eine größere Menge an Strom erzeugt. Zahlen werden nicht genannt.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt ein Team von Forschern der Seoul National University und des Korea Electronics Technology Institute (KETI) in Südkorea, wie im April 2014 berichtet wird. Nur daß es diesmal nicht um Regenwasser geht, sondern um das Spülwasser von Toiletten.

Auch in Fall des neuen Water Motion Active Transducer (WMAT) soll ein Teil der mechanischen Strömungsenergie in Strom umgewandelt werden. Es darf aber nicht vergessen werden, daß diese Energie im Unterschied zu der vorausgegangenen Version ja erst von den Wasserwerken aufgebracht werden muß – ein ,Gewinn’ ist damit also nicht zu machen.

Der Schlüssel zu den Experimenten liegt darin, die Vorteile einer Eigenschaft dielektrischer Materialien wie Poly-4-vinylphenol (PVP) zu nutzen, welche eine elektrische Ladung entwickeln wenn sie in Wasser gelegt werden, indem sich um die Außenseite des Materials eine elektrische Doppelschicht bildet.

Durch Verwendung aktiver kapazitiver Wandler, die aus mehreren Schichten bestehen, welche um strukturierte, transparente Elektroden gewickelt sind, gelingt es den Wissenschaftlern um Youn Sang Kim, unter Verwendung von einem einzigen Leitungswassertropfen mit einem Volumen von 30 µl eine kleine grüne LED zu versorgen.

Die Technik befindet sich gegenwärtig in der Phase eines Machbarkeitsnachweises, soll sich aber auch für große Wasserbewegungen wie Regen, Flüsse und sogar Meereswellen einsetzen lassen.

Fast zeitgleich meldet ein Team chinesischer Wissenschaftler um Wanlin Guo an der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, daß es ebenfalls Strom produziert hat, indem es ein Tröpfchen Salzwasser über eine Schicht des extrem leitfähigen Graphen geleitet hat. Die Technik ähnelt der Umsetzung am Rensselaer Polytechnic Institute im Jahr 2011 (s.o.).

Wenn die Salzwasser-Tröpfchen statisch auf dem Graphen sitzen, tragen sie auf beiden Seiten eine gleichstarke Ladung. Werden sie hingegen über die Oberfläche des Graphen verschoben, werden die Elektronen in dem Salzwasser an einem Ende des Graphen desorbiert und auf der anderen Seite absorbiert, wobei sie entlang ihres Weg  eine meßbare Spannung erzeugen. Je schneller sich das Wasser bewegt, desto höher ist die erzeugt Spannung, auch wenn die bislang erzielte Gesamtspannung mit etwa 30 mV noch ziemlich niedrig ist.

Im August 2014 kursieren in den Blogs Fotos aus der Abschlußarbeit der Industriedesignerin Naomi Kizhner am Hadassah College in Jerusalem.

Über ihre Idee, das Blinzeln der Augenlider mittels einer Vorrichtung namens Blinker zur Energieerzeugung zu nutzen, habe ich bereits bei den muskulären Systemen vorgestellt (s.d.).

Ein zweites Schmuckstück, das seinen Platz im Bereich der Strömung hat, erhält der Titel Blood Bridge, da es Energie aus den Fluß des menschlichen Bluts gewinnt. Das Teil beinhaltet Nadeln, die in die Haut eingeführt werden, um das Blut durch eine Miniatur-Turbine zu leiten, welche den elektrischen Strom erzeugt.

Als Beispiel zeigt die Designerin eine Umsetzung, bei der die Enden der Blood Bridge – als eine Art Bypass – in die Venen am Unterarm eingeführt werden, sodaß das fließende Blut das Turbinenrädchen dreht. Auch dieses Objekt ist aus Gold und einem 3D-gedruckten Biopolymer hergestellt. Ein drittes Stück namens E-pulse Conductor wird in die Venen in der Nähe der Wirbelsäule eingesetzt und erntet dort elektrische Impulse, die vom neurologischen System in der Wirbelsäule der Trägerin erzeugt werden.

Forscher der Eindhoven University of Technology und dem Holst Centre/Imec in den Niederlanden berichten im April 2016 über die Entwicklung eines Sensors, der davon inspiriert ist, wie Pflanzen Wasser aus der Erde ziehen. Der Sensor des Teams um Prof. Jaap den Toonder und seinem Doktoranden Chuan Nie, der aus dem Schweiß von Patienten medizinische Meßwerte liefert, benötigt dabei keine externe Stromversorgung. Um analytisch brauchbare Meßwerte zu erhalten, müssen die Ablesewerte jedoch frisch gehalten werden, indem die Flüssigkeit ständig durch den Sensor fließt, anstatt nur statische Proben zu nehmen.

Die Vorrichtung wird durch das Laminieren von drei dünnen Schichten aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, in welche unter Verwendung der Lasermikrofabrikation fluidische Strukturen eingearbeitet werden. Neben der flexiblen Kunststoff-Folie, umfaßt der Sensor einen Mikrokanal mit einer porösen Struktur an einem Ende und einem Stück Papier am anderen. Das Papier saugt den Schweiß auf, der dann durch den Mikrokanal gezogen und am porösen Auslaß ausgeschieden wird. Diese Konstruktionsform ermöglicht eine konstante Strömung ohne ein einziges bewegliches Teil – genauso wie in Pflanzen und Bäumen.

Sobald ein konstanter Fluß von Schweiß erreicht wurde, fügten die Forscher einen Mikrochip hinzu, dessen Elektroden in den Kanal eingeführt werden. Da die Flüssigkeit dort hindurch fließt, kann der Sensor fortlaufend analysieren. So gelingt es dem Team, mit einem Prototypen beispielsweise den Säuregehalt zu messen.

Nun soll die Entwicklung des Sensors fortgesetzt werden, wobei das Augenmerk auf reale Anwendungen im medizinischen und sportlichen Bereich gerichtet wird. Das Team glaubt, daß die Bauweise aus Kunststoff dabei helfen wird, die Kosten niedrig zu halten. Als nächster Schritt wird daran gearbeitet, eine Lösung für die drahtlose Übertragung der aufgenommenen Daten zu integrieren.

Die Idee, Strom aus abfließendem Regenwasser zu gewinnen, taucht ein weiteres mal im Mai 2016 auf – in einer gestalterisch anspruchsvollen Form.

Das REGN genannte Gerät des Idustriedesign-Studenten Benjamin Koh aus Singapur, der dieses am Savannah College of Art and Design in den USA entwickelt und auch promt einen Red Dot Design Award des Jahres 2015 gewinnt, ist modular aufgebaut und paßt in jedes bestehende Regenrinnensystem.

Die Strömung des Wassers zwingt eine innere Spindel sich zu drehen und mittels elektromagnetischer Induktion eine Ladung zu erzeugen. Der modulare Aufbau bedeutet, daß auch mehrere Geräte hintereinander installiert werden können, um neben sauberer Energie auch frisches Wasser zu ernten.

Der fast schon notorisch aktive Zhong Lin Wang vom Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems bzw. dem Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, der sich zusammen mit seinem Team mit den verschiedensten MEH-Technologien beschäftigt, kommt im Mai 2016 ein weiteres mal in die Presse, als gemeinsam mit Ya Yang und weiteren Kollegen ein integriertes System, vorstellt, das eine Silizium-Solarzelle sowie einen Nanogenerator umfaßt, der die Windströmung in Elektrizität umwandeln kann.

Während die Solarzellen-Komponente des Systems 8 mW Leistung liefert, steuert die Windenergie-Komponente bis zu 26 mW dazu. Vermutlich handelt es sich dabei um ein piezoelektrisches System – doch dies ließ sich bislang nicht verifizieren.

Unter simulierten Sonnen- und Windbedingungen werden vier Geräte auf dem Dach eines kleinen Hausmodells gemeinsam genutzt, um die im Inneren installierten LEDs zu betreiben und Strom für einen Temperatur/Feuchte-Sensor zu liefern.

Vibration

Zur Umwandlung von Vibrationen und Erschütterungen in elektrischen Strom gib es drei grundlegende Techniken: den Elektromagnetismus, die Piezoelektrizität und die Elektrostatik. Die beiden letzteren Techniken wurden weiter oben bereits ausf[hrlich beschrieben. Elektromagnetische Systeme, die mit größeren mechanischen Schwingungen betrieben werde, habe ich im Kapitel Muskelkraft vorgestellt.

Als Spin-off der Southampton University wird 2004 das Unternehmen ebenfalls in Southampton angesiedelte Perpetuum Ltd. gegründet, das sich schon bald als das weltweit führende Unternehmen für das Ernten von Vibrationsenergie bezeichnet.

Die Schwingungsenergie-Ernter der Firma sind im Jahr 2001 von dem späteren Prof. Peter Glynne-Jones im Zuge seiner Doktorarbeit an der University of Southampton entwickelt worden. Die als erste piezoelektrische Wandler der Welt haben damals bei einer Schwingung von 80 Hz etwa 3 μW erzeugt.

Ab 2006 werden die Mikrogeneratoren in drei Größen und verschiedenen Versionen angeboten. Der beispielsweise speziell für den Einsatz in Hubschraubern entwickelte PMG 27 wiegt 400 g, hat die Maße 53 x 53 mm und liefert bei 7,5 V eine Leistung von 2 mW.

Andere elektromechanische Sensoren, die ihre Energie aus den Vibrationen einer Maschine gewinnen, werden direkt am Gehäuse dieser Maschine befestigt und schlagen über Funk Alarm, wenn diese nicht rund läuft.

Im Juni 2011 stellt Perpetuum auf der Messe Sensors Expo fünf Kunden von, die in ihre Energiegewinnungslösungen Produkte des Unternehmens integriert haben. Dies sind die Firmen GE Bently Nevada, Siemens, Emerson, Honeywell und National Instruments.

Unter dem Namen Intelligent Power Module (IPM) wird im Dezember 2012 ein neues System präsentiert, das es Benutzern ermöglicht die Vibrations-Harvester (Vibration Energy Scavenger) von Perpetuum in eigene Geräte zu integrieren und durch die Vermeidung der Notwendigkeit, Batterien zu ersetzen, erhebliche Einsparungen zu erzielen.

Im Juli 2014 gewinnt Perpetuum zusammen mit den Southeastern Railways (London) den Railway Industry Innovation Award für Technik und Sicherheit. Die beiden Unternehmen werden für ihre Zusammenarbeit ausgezeichnet, bei der ein neues System entwickelt wird, welches das Wartungsprogramm Condition Based Maintenance (CBM) des Bahnunternehmens Southeastern Railway unterstützt. Die Perpetuum-Technologie, bei der die geerntete und umgewandelte Schwingungsenergie verwendet wird, um den Verschleiß der Radlager zu messen, bildet ein Novum in der Branche.

In einem Vertrag mit Network Rail vereinbart Perpetuum im Oktober 2015 laufende Dienste zur Spurzustandsanalyse. Diese wird unter Verwendung von Schwingungsdaten aus den Tausenden von Radsätzen der C375- und C376-Zugeinheiten von Southeastern Railways ermittelt, die mit den Harvestern der Firma Perpetuum ausgestattet sind und so konzipiert sind, daß sie über 100 Jahre ohne Wartung auskommen.

An der University of Southampton wird bereits im Juli 2007 ein weiterer Vibrationsgenerator vorgestellt, der in Zukunft Herzschrittmacher mit Strom versorgen soll. Der seit Anfang 2004 und eigentlich für den Einsatz innerhalb von Luftkompressoren entwickelte Generator ist kleiner als ein Kubikzentimeter. Sein Erschaffer Steve Beeby behauptet, daß er außerdem 10 mal effizienter sei als alle bislang bekannten Modelle.

Der Generator nutzt die in der Umwelt vorhandenen Vibrationen, um Magnete, die auf einem Träger im Zentrum des Gerätes liegen, in Schwingung zu versetzten und Strom im Mikrowattmaßstab zu erzeugen. In einem Herzschrittmacher ist der menschliche Herzschlag stark genug, um die Magneten im Gerät in Schwingung zu halten.

Gefördert wird die Entwicklung durch die EU – im Rahmen des mit 4,13 Mio. € ausgestatteten Projektes ,Vibration Energy Scavenging’ (Vibes), an dem sich folgende Partner beteiligt haben: Tima – Techniques of Informatics and MicroElectronics for Computer Architecture (Frankreich), 01dB-Metravib (Frankreich), Phillips Applied Technologies (Belgien), MEMSCAP (Frankreich), Femto-st, LPMO – Laboratory of Physics and the measurement of oscillator (Frankreich), Phillips Research, Eindhoven (Niederlande), EPFL – Federal Polytechnical School of Lausanne, Laboratoire de Céramique (Schweiz).

Im Februar 2005 präsentiert das Centre for Energy & Greenhouse Technologies (CEGT) im australischen Churchill, Victoria, eine Technologie namens Kinetic Energy Cell (KEC) vor, mit der jegliche Form von Vibration in Elektrizität umgewandelt werden kann. Das CEGT ist ein privates Unternehmen, das als eine Initiative der Regierung von Victoria eingerichtet wurde, um in die Entwicklung und Demonstration neuer nachhaltiger Energie- und Treibhausgas-Minderungstechnologien zu investieren.

Entwickelt wurde die neue Technologie in Zusammenarbeit mit dem Research Centre for Microtechnology in Melbourne. Zu diesem Zeitpunkt hat die KEC die Größe einer 9 V Batterie – Ziel ist es, auf die Größe einer AA-Batterie zu kommen.

Im Kern besteht das System aus einer Reihe sehr kleiner Spulen nebst einigen Magneten. Technisch ist eine Anpassung des aus nur sieben Bauelementen bestehenden Systems an unterschiedliche Frequenzen möglich, womit sich ein sehr breites Einsatzfeld auftut, angefangen von der Lauffrequenz von Fußgängern bis hin zu Vibrationsfrequenzen des Straßenverkehrs, von Brücken oder sogar von Gebäuden. Als Speichermedium zur Kulminierung der vielen kleinen Energieimpulse bieten sich Superkondensatoren an.

Das Unternehmen arbeitet zudem an einem LED-Licht mit eigenem Mikrogenerator. Die Umwandlung der Vibrationen vorbeifahrender Züge, Lastwagen usw. erlaubt eine dauerhaft nutzbare Lichtquelle, ohne daß hierfür Kabel verlegt werden müßten.

Das CEGT wiederum bekannt, daß es 125.000 $ in ein neues Unternehmen namens Kinergi Pty Ltd. investieren wird, das mit Sitz in Sydney speziell dazu gebildet wurde, um die KEC zu kommerzialisieren. Mittelfristig werden sogar bis zu 1 Mio. $ in Aussicht gestellt. Tatsächlich läßt sich inzwischen nur noch feststellen, daß die Firma im Juni 2013 gelöscht wurde.

Ende 2005 präsentiert ein gewisser Timothy Mijal das Konzept eines Reifens, der mit einer Reihe von Spulen und Neodym-Magneten ausgestattet ist, welche die beim Fahren entstehenden Vibrationen in Strom umwandeln. Sie sollen einen Beitrag zum Nachladen von Elektromobilen während der Fahrt leisten. Über eine Umsetzung ist nichts bekannt - auch nähere Details darüber sind nicht mehr zu finden.

Im Mai 2006 erfährt die Öffentlichkeit aus einem Bericht der BBC, daß es seit rund 10 Jahren militärisch motivierte Bemühungen gibt, die Vibrationsenergie marschierender Soldaten in Strom umzuwandeln, um die zunehmende Last an Batterien zu reduzieren, mit der sich die Kämpfer abplagen müssen (sie dürfen ja nicht einmal die leeren wegwerfen, da diese dem ‚Feind’ bei der Spurensuche helfen würden...).

Neben Funkgeräten müssen Nachtsichtgeräte, GPS-Empfänger, diverse drahtlose Sensoren, Zielgeräte, Mobiltelephone, Laptops und anderes mehr mit Strom versorgt werden. Forschungen auf diesem Sektor bilden in den USA daher einen der Schwerpunkte der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Einige der Entwicklungen sind bereits an verschiedenen Stellen im Kapitel Muskelkraft dokumentiert worden.

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Vibrationsgeneratoren ist die Stromversorgung von Sensoren an Straßen- und Eisenbahnbrücken, um eine kontinuierliche Überwachung des Tragwerks und der Festigkeit dieser Konstruktionen zu gewährleisten, denn die Zusammenbrüche von Brücken erfolgen nicht vorhersehbar und plötzlich, und oftmals resultieren daraus Todesfälle.

Die Federal Highway Administration veröffentlicht 2006 eine Analyse, der zufolge 25,8 % der USA-weit bestehenden 596.842 Brücken Strukturdefizite aufweisen bzw. nicht mehr verkehrssicher sind. Da viele dieser Brücken jedoch noch für Jahre in Gebrauch sein werden, ist ihre ständige Überwachung dringend geboten. Diese erfolgt bislang nur turnusmäßig und auch nur rein visuell durch die entsprechenden Experten.

Konventionelle, mit Batterien betriebene Sensoren, von denen pro Brücke stets mehrere, und z.T. an nur schwer zugänglichen Positionen eingesetzt werden müßten, würden den kontinuierlichen Austausch von Millionen Batterien erforderlich machen - was für die betroffenen Verwaltungen und Ämter ein Ding der Unmöglichkeit ist. Die Harvester könnten dagegen die Brückensensoren autonom mit Energie versorgen, um die Behörden auf Risse und korrodierte Stellen aufmerksam zu machen, lange bevor diese vom menschlichen Auge als problematisch wahrgenommen werden.

Einem Bericht vom Juli 2010 zufolge werden die Kosten der notwendigen Reparaturen in den USA über die kommenden 50 Jahre auf eine Summe von 650 Mrd. $ geschätzt.

In Deutschland ist die Situation sogar noch schlimmer. Eine Studie der Bundesanstalt für Straßenwesen aus dem Jahr 2009 kommt zu alarmierenden Ergebnissen: Zwischen 2001 und 2007 ist der Anteil der Bücken mit Schäden von 38,7 % auf 46,1 % angewachsen. Auch fast jede zweite deutsche Autobahnbrücke weist ernstzunehmende Mängel auf. Bei einer Vielzahl der Spannbetonbrücken, die vor 1979 gebaut wurden, sei mangelhafter Stahl zum Einsatz gekommen, sodaß diese theoretisch zusammenbrechen können, ohne daß man zuvor etwas erkennen kann.

Unter anderem an der Clarkson University in Potsdam, New York, wird daher eine Technologie entwickelt, mit der die Vibration des Straßenverkehrs zur Versorgung von drahtlosen Kontrollsensoren an diesen Brücken genutzt werden kann.

Im Oktober 2007 präsentieren die Professoren Pragasen Pillay und Edward S. Sazonov ein vollständig verkapseltes System, das für eine Lebensdauer von mehreren Dekaden ausgelegt ist. Aufgrund einer früheren Präsentation im Januar des Jahres beim Transportation Research Board in Washington D.C. hatten die Forscher Fördermittel erhalten, um ihre Entwicklung fortzuführen.

Es werden zwar praktische Versuche an einer Brücke der Route 11 in Potsdam durchgeführt, bei denen die Generatoren im Resonanzmodus bei 3,1 Hz eine Leistung von 12,5 mW erzielen, doch nach dem entsprechenden Abschlußbericht im November 2009 scheint es auch in diesem Fall nicht weitergegangen zu sein.

Ein weiteres Einsatzfeld der Vibrations-Energiewandler bilden die diversen Sensoren in Kraftfahrzeugen, die dann autonom agieren und ohne Verdrahtung auskommen können. Wesentliches Element dabei sind die ‚AmbioMote24 Funksensor-Plattformen’ der 2006 gegründeten und ebenfalls in Potsdam, New York, ansässigen Firma AmbioSystem LLC, die für 200 $ angeboten werden. Das Unternehmen verkauft zudem piezoelektrische Harvester für 99 $.

Über das Biomechanik-Start-Up M2E Power aus Boise, Idaho, habe ich bereits im vorangegangenen Kapitel Muskelkraft berichtet.

ie Ende 2007 vorgestellten Schüttel-Mikrogeneratoren sind insbesondere für den Militärmarkt entwickelt worden, wo sie den Einsatz von Batterien reduzieren sollen. Aus diesem Grund werden die Prototypen entsprechend der üblichen Batterieformen und -größen gestaltet.

Olfa Kanoun, Professorin für Meß- und Sensortechnik an der Technischen Universität Chemnitz, arbeitet in den Jahren 2007 und 2008 wiederum an einem Generator, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit Knopfzellen in Hörgeräten nachzuladen. Auch darüber habe ich bereits ausführlich berichtet - unter den muskulären Systemen (s.d.).

Auf eine äußerst interessante Umsetzung der Vibrationsenergie in einem etwas größeren Maßstab macht mich der Segelflieger Robert Friebe aufmerksam.

Schon lange wird über die Technologie der Grenzschichtabsaugung an Segelflügeln diskutiert, da eine länger anhaftende laminare Grenzschicht (bevor ein Strömungsabriß entsteht) auch das Flugverhalten wesentlich verbessert. Bei großen Transportflugzeugen wird diese Technik teilweise schon seit der 1960er Jahren eingesetzt, nachdem das Prinzip selbst in der 1920ern von deutschen Aerodynamikern entdeckt worden war.

Im Bereich des Segelflugs wurden die entsprechende Versuche jedoch schnell beendet, da es noch keine ausreichend leistungsfähigen Pumpsysteme gab – und weil die Regeln des FAI besagen, daß alle für den Flug eines Segelflugzeugs benötigte Energie ausschließlich aus dessen Vorwärtsbewegung hergeleitete sein darf. Selbst der Einsatz von Solarzellen ist verboten.

Wie der Segelflieger Tillman Steckner in einem Anfang 2008 im Fachmagazin segelfliegen veröffentlichten Bericht beschreibt, ist jedoch die Energie des Flügelschlags (d.h. der Oszillation der Flügel) ausreichend, um eine Saugpumpe für einen einfachen, durchgehenden Saugschlitz bei ca. 70 % der sogenannten Profilsehne anzutreiben, in Form einer mit einem Elektromotor angetriebenen mehrblättrigen Kleinturbine.

Umgesetzt wird die Energie von einem hydraulischen bzw. mechanischen System durch einen linearen AC-Generator (Magnetanker und Induktionsspulen), welcher über die kleine Längenänderung des Holms zwischen Ober- und Unterseite des Flügels betätigt wird, dessen Oszillation ca. 130 Hz beträgt.

Über das im Jahr 2006 gegründete japanische Startup-Unternehmen Soundpower Corp., das 2008 mit Test seiner stromerzeugenden Böden beginnt, habe ich bereits ausführlich im Kapitel Muskelkraft unter Treten und Tanzen berichtet (s.d.). Daneben will die Firma zwei weitere neue Energiequellen erschließen: Die Schallleistung und die Vibrationskraft.

Zwecks Nutzung der letzteren Quelle installiert Soundpower im April 2009 auf der Goshiki-zakura Ohashi-Brücke der Tokyo Metropolitan Schnellstraße zehn Vibrationsstrom-Erzeuger, piezoelektrische Vorrichtungen, die jeweils mit einem Pendel ausgestattet sind, welches durch Vibrationen von vorbeifahrenden Fahrzeugen in Schwingung versetzt wird. Mit der geernteten Elektrizität werden die insgesamt 108 LEDs versorgt, welche die Brücke Nachts beleuchten. Über weitere Umsetzungen verlautete bislang noch nichts.

Im Mai 2009 berichtet die Fachpresse über das Londoner Start-up Solar Botanic Ltd., das den Einsatz künstlicher Bäume vorschlägt, dessen Blätter-Imitate im Wind flattern und die Sonnenenergie auffangen, um sauberen Wind- und  Solarstrom zu erzeugen.

Auf die Idee dazu kommt der Firmengründer Alex van der Beek, dem während einer Zugfahrt im Jahr 2002, um seine Schwester in den Niederlanden zu besuchen, ausfällt, wie sehr die monströsen Windturbinen wunderschöne Aussichten verschandeln. Beeks Vorstellungen zufolge sollen Tausende sogenannter Nanoblätter an einem natürlich aussehenden, wenn auch gefälschten Plastikbaum, ein gleiches Maß an Stromproduktion ergeben, ohne dabei Naturlandschaften zu verderben.

Die künstlichen Blätter besitzen in ihren Stielen, mit denen sie an den Ästen befestigt sind, Nanogeneratoren, welche aus den Vibrationen durch wehenden Wind oder fallende Regentropfen geringe Mengen von piezoelektrischem Strom erzeugen, während gleichzeitig die Sonne mittels Photovoltaik sowie thermoelektrischen Wandlern genutzt wird.

Die Firma erforscht mehrere Entwürfe, von breiten Palmblättern bis zu Blumen und Sträuchern. Ein Baum mit einer 6 m durchmessenden Krone, die eine Fläche von rund 110 m² bietet, soll ein durchschnittliches Hause versorgen können. Der voraussichtlich zwischen 12.000 $ und 20.000 $ kostende Baum könne über eine 20-jährige Lebensdauer etwa 120.000 kWh erzeugen.

Technische Unterstützung bekommt Solar Botanic von der britischen Non-Profit Center for Sustainable Engineering sowie vom Biomimetics Network for Industrial Sustainability (BIONIS) der University of Reading. Die Umsetzung soll nun in Zusammenarbeit mit der renommierten Engineering-Abteilung der Londoner Brunel University erfolgen, wobei das Unternehmen hofft, in etwa drei Jahren einen funktionierenden Prototyp vorweisen zu können.

Doch obwohl in verschiedenen Ländern Patente angemeldet werden und in Kalifornien ansässige Investoren auch (nicht bezifferte) Mittel zur Verfügung stellen, ist später nichts mehr davon zu hören. 0986

Eine künstlerische Auseinandersetzung mit dem Thema Micro Energy Harvesting bilden die pilzartigen Strukturen, die der Künstler Peter Dalton im September 2009 unter dem Titel ,Touch Powered By Intrigue Concept’ in einem stark frequentierten Fußgängerbereich aufstellt.

Die durch Berührung entstehende Schaukelbewegung - also eine langsame Vibration - wird von einem piezokeramischen Kern in Strom umgesetzt, welcher die Leuchtfasern im Kopf des ‚Pilzes’ zum Strahlen bringt.

Ebenfalls im September 2009 wird in den Blogs die interessante Konzeptstudie des global agierenden Innovations- und Design-Beratungsbüro Continuum vorgestellt, Snowboards mit E-Ink-Displays zu laminieren, da deren Oberseite einen perfekten Ort für eine sich verändernde Grafik darstellt.

Gianfranco Zaccai zufolge, der Büros auf drei Kontinenten besitzt, sollen die Displays über ebenfalls eingebaute Sensoren die von Fahrer erwünschten Echtzeitinformationen zur Umgebungstemperatur, Geschwindigkeit, Himmelsrichtung, Höhe und/oder Zeit zeigen. Eine besondere Funktion könnte ein grafischer Annäherungsalarm sein, der durch den Eigentümer des Boards festgelegt wird und ein großes ,Stolen’,-Zeichen aktiviert (= geklaut), das blinkt, wenn das Board zu weit von seinem Besitzer ist.

Mit Strom versorgt werden sollen die Displays und Sensoren mit Piezogeneratoren, die auch in das Brett eingearbeitet sind. Dabei reicht es, das Brett vor dem Losfahren ein paar Mal leicht zu biegen, der weitere Strom wird dann durch die Erschütterungen während der Fahrt erzeugt. Zu einer Umsetzung ist es bislang nicht gekommen.

Ein Team der Duke University veröffentlicht im Oktober 2009 die Ergebnisse seiner Versuche, durch den Einsatz von Magneten ein breiteres Spektrum von Vibrationsfrequenzen zu nutzen.

Bei dem Gerät handelt es sich um einen kleinen Freischwinger aus piezoelektrischen Material - mehrere Zentimeter lang und einen halben Zentimeter breit -, an dessen einem Ende ein Magnet befestigt ist, der mit anderen, fest installierten, Magneten interagiert.

Durch die Veränderung der Entfernung des beweglichen Magneten ist es möglich, die Wechselwirkungen des Systems mit seiner Umgebung zu ‚stimmen’ und dadurch Elektrizität über ein breiteres Spektrum von Frequenzen zu erzeugen.

Ein ausführlicher Bericht erscheint im Juli 2010 unter dem Titel ,On the nonlinear electromagnetic coupling between a coil and an oscillating magnet’.

Über weitere Schritte wird erst im Februar 2012 berichtet, als das Team um Prof. Brian Mann die Ergebnisse seiner neuesten Experimente veröffentlicht. Demzufolge konnte im Labor belegt werden, daß der neue nichtlineare Ansatz die herkömmlichen linearen Geräte übertrifft. Aus dem sehr wissenschaftlichen Endbericht vom April 2015 ist zu entnehmen, daß die Arbeiten vom U.S. Army Research Office gefördert wurden. Doch auch in diesem Fall ist nichts über eine praktische Umsetzung zu finden.

Im März 2010 stellen Forschern der University of Michigan um Khalil Najafi (der sich auch mit der Energiegewinnung bei Insekten beschäftigt) mehrere Prototypen von kleinen Geräten vor, welche Umgebungsvibrationen aufnehmen und ausreichend Energie produzieren, um Uhren, Herzschrittmacher oder drahtlose Sensoren zu versorgen.

In zwei der Prototypen erfolgt die Energieumformung durch elektromagnetische Induktion, in der eine Drahtspule einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt wird. Die dritte und kleinste Einheit, die nur 1 cm³ mißt, verwendet dagegen piezoelektrisches Material und soll im Bereich der Gesundheitsüberwachung eingesetzt werden.

Die Parametric Frequency Increased Generators (PFIGs) fangen winzige Schwingungen ein, die durch den Verkehr auf Straßen oder Brücken entstehen, durch Menschen, die Treppen  hinauf- und hinabsteigen, oder auch durch Maschinen in Fabriken. Aus den typischen Schwingungsamplituden des menschlichen Körpers erzeugen die Generatoren bis zu 0,5 mW.

Die Universität verfolgt nun den Patentschutz für das geistige Eigentum, dessen Entstehung durch die National Science Foundation, die Sandia National Laboratories und das National Institute of Standards und Technologie gefördert wurde.

Bereits im Mai 2011 folgt die Meldung, daß die Forscher eines der Geräte so weit perfektioniert haben, daß es die 5- bis 10-fache Effizienz und Leistung der bisherigen Versionen erreicht. Das nur 27 mm³ große System paßt auf einen Cent und soll eine wartungsfreie Lebensdauer von 10 bis 20 Jahre aufweisen.

Im Mai 2010 berichtet des Fachpresse über eine Entwicklung der Vibro-Wind Research Group unter der Leitung von Prof. Frank Moon an der Cornell University, bei der es um eine Low-Cost-Methode geht, um Schwingungen aus der Windenergie in Elektrizität umzuwandeln. Die Konstruktion des Studenten-Teams im Abschlußsemester besteht aus einem Paneel, auf dem Oszillatoren aus Bauschaum montiert sind, die vom Wind in Schwingungen versetzt werden. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie erfolgt dann mittels piezoelektrischer Wandler.

Die Studenten, die dabei durch einen Zuschuß des Academic Venture Fund (Cornell Center for a Sustainable Future) in Höhe von 100.000 $ unterstützt werden, testen ihren Prototyp erfolgreich auf dem Dach der Rhodes Hall in Atlanta.

Neben dem piezoelektrischen Wandler wird auch die Möglichkeit der Verwendung einer elektromagnetischen Spule geprüft – doch leider läßt sich auch in diesem Fall nicht nachweisen, daß der interessante Ansatz später weiterverfolgt wurde.

Eine Idee des südkoreanischen Industriedesign-Studenten Jung-Hoon Kim an der Jeju National University, die ebenfalls im Mai 2010 in den Blogs kursiert, basiert ebenfalls auf einer Nutzung der Vibrationsenergie – in einem etwas größeren Maßstab.

Sein Konzept-Elektrofahrzeug P-Eco, mit dem er sich an der Michelin Challenge Design Competition beteiligt, ist mit vier piezoelektrischen Vorrichtungen an beiden Seiten der Sitze ausgestattet. Diese sollen, sobald sich das Fahrzeug in Bewegung setzt, in Schwingungen geraten und bei einer hohen Frequenz vibrierend elektrische Energie erzeugen, um die Batterie des Wagens aufzuladen und damit die Reichweite zu verlängern. Bislang ist es beim Design geblieben.

Im Juli 2010 präsentiert die japanische Firma Brother Industries Ltd. auf der Techno-frontier Ausstellung in Tokio Prototypen von neuen Batterien, die sich durch Vibrationen selbst aufladen. Hierzu befindet sich im Inneren der AA- und AAA-Modelle ein winziger Induktions-Generator und ein Doppelschicht-Kondensator mit einer Kapazität von rund 500 mF.

Sollte die Batterie schwächeln, reicht es einfach aus, sie in die Hand zu nehmen und ein paarmal zu schütteln. Die Energieabgabe des Generator der Größe AA beträgt dabei zwischen 10 mW und 180 mW. Die neue Technik bietet sich besonders für Geräte an, die nicht ständig Strom verbrauchen und ungefähr 100 mW benötigen. Die durchschnittliche Energieaufnahme einer normalen Fernbedienung soll zum Beispiel zwischen 40 mW und 100 mW betragen.

Ob und ab wann diese Batterien im Handel erhältlich sein werden, ist unklar. Bis zum Datum des aktuellen Updates Mitte 2016 ist davon jedenfalls noch nichts zu sehen.

Im Dezember 2010 stellt der japanische Forscher Toshiyuki Ueno von der Kanazawa University eine neue Art von kinetischer Knopfbatterie vor, die aus Schwingungen eine bemerkenswerte Menge an Energie erzeugen und speichern kann. Ueno, damals noch an der University of Tokyo tätig, hatte bereits 2005 zusammen mit Kollegen der Iowa State University sowie der Firma ETREMA Products Inc. eine Studie über die magneto-mechanischen Eigenschaften von Galfenol veröffentlicht.

Die neue Batterie hat eine Energiedichte von etwa 22 mW/cm³, was etwa 20 mal höher liegt als bei anderen schwingungsangetriebenen Generatoren, die aus piezoelektrischen Materialien hergestellt sind. Um diese Leistung zu erreichen verwendet der Wissenschaftler eine Legierung aus Eisen und Gallium mit magnetostriktiven Eigenschaften namens Galfenol (Fe_100-xGa_x), die ähnlich wie piezoelektrische Materialien reagiert, wenn sie mechanisch gestreckt wird.

Magnetostriktive Materialien werden in kinetischen Vorrichtungen verwendet, da sie mit einer Formänderung reagieren, wenn ein Magnetfeld angelegt wird.

Galfenol war ursprünglich im Jahr 1998 durch das U.S. Naval Research Laboratory (NRL) entwickelt worden. Anderen Quellen zufolge soll die Entdeckung auf das Naval Surface Warfare Center (NSWC) in Carderock zusammen mit dem Ames Laboratory des Department of Energy zurückgehen. Das hohe Interesse an dem Material beruht darauf, daß es sich sehr gut für Aktoren und Sonar-Wandler verwenden läßt, wie sie z.B. auf Schiffen und in U-Booten zum Einsatz kommen.

Zudem läßt sich das Galfenol als Strukturträger für vibrierende Maschinen einsetzen, wie beispielsweise einen Generator. Wenn sich die Maschine bewegt, kann das Galfenol die Schwingungsenergie erfassen und zurückgewinnen. Als Resultat wird weniger Energie auf dem Rumpf des Schiffes oder U-Boots übertragen, was wiederum dessen akustischen Fußabdruck reduziert.

Die Weiterentwicklung in den vergangenen 13 Jahren erfolgt dann in Partnerschaft mit der Firma ETREMA.

Mit dem Material gelingt es Ueno, eine magnetostriktive Struktur zu schaffen, die zwar sehr klein, aber trotzdem stark genug ist, um Strom zu erzeugen. Dabei wird die Duktilität des Galfenol genutzt (Duktilität ist die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor er versagt), indem zwei lange und dünne magnetostriktive Elemente aneinander befestigt werden, an deren anderen Enden Gewichte hinzugefügt werden. Durch das plazieren von Spulen um die Elemente herum wird dann eine physikalische Belastung und Magnetisierung hervorgerufen, um Elektrizität zu produzieren.

Da Galfenol ein duktilen Material ist, bricht auch eine dünne, stabförmige Struktur nicht leicht. Zudem kann es in Umgebungen mit speziellen Bedingungen verwendet werden, da es in der Lage ist, Temperaturen von bis zu 700°C zu widerstehen.

In einem Bericht vom April 2013 beschreiben Julie Slaughter und Eric Summers von der 1987 gegründeten ETREMA, wie Galfenol bearbeitet und geformt werden kann, um spezielle Energy-Harvesting-Aufgaben zu bewältigen. Inzwischen ist das Unternehmen aber nicht mehr auffindbar.

Eine weitere Firma, die demgegenüber noch immer besteht, ist die im Jahr 2007 von Robert G. Andosca als Spin-out der University of Vermont gegründete MicroGen Systems Inc. mit Sitz in Ithaca und Rochester im US-Bundesstaat New York. Diese unterzeichnet im Juli 2010 eine Absichtserklärung mit dem Energy Materials Center (emc2) der Cornell University, um gemeinsam selbstladende Batterien zu entwickeln, die als Energiequelle ausschließlich schütteln und rütteln nutzen. Einen Teil seiner Anschubfinanzierung erhält das Unternehmen vom emc2 selbst sowie von der New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA).

Die neue Batterie wird wie ein Mikrochip aussehen, aber einen vibrierenden Kern besitzen, der Energie aus fast allem erntet, was sich schüttelt. Die Technik basiert auf einer winzigen Schwingungsenergie-Gewinnungsvorrichtung von der halben Größe eines Zuckerwürfels, die ursprünglich von Andosca und seinem Doktorvater Prof. Junru Wu an der University of Virginia entwickelt worden war.

Anwendungen für die Selbstlade-Batterien umfassen z.B. intelligente Energiesysteme für Industrieanlagen, Lichtsteuerungssysteme, die Überwachung der strukturellen Integrität von Brücken und Straßen, sowie die Überwachung der Onbord-Systeme von Fahrzeugen.

Einem Bericht vom August 2011 sind dann weitere Details zu entnehmen. Demzufolge besteht der Kern der MicroGen-Chips aus einem 1 cm² großen Array, auf dem sich kleine Silizium-Ausleger befinden, an deren Basis sich kleine Stückchen eines piezoelektrischen Materials befinden, und die frei oszillieren, wenn der Chip bewegt wird. Das Array ist wiederum auf einer briefmarkengroßen Dünnfilmbatterie aufgebracht, welche die erzeugte Energie speichert. Wird der Chip beispielsweise durch einen sich drehenden Autoreifen bewegt, lassen sich damit rund 200 µW Leistung bereitstellen.

MicroGen betont die äußerst kostengünstige Produktion, da das MicroGen-Array auf Mikrosystemen (MEMS) basiert, die aus Silizium bestehen und auf Standardequipment herstellbar sind, das schon für Computerchips verwendet wird. Bei einer Massenproduktion würde ein solches Bauteil nur noch einen Dollar kosten – im Gegensatz zu konkurrierenden Geräten, die oft von Hand zusammengesetzt werden, was in der Herstellung Hunderte Dollar kosten könne.

Die Herstellung der ersten Prototypen erfolgt an der Cornell University, Muster davon werden an verschiedene große Halbleiterproduzenten geschickt. Als Nächstes soll nun Herstellungszeit in einer kommerziellen Produktionsstraße für MEMS gemietet werden, um die Massenproduktion zu evaluieren. Erstmals verkauft werden könnten die Chips dann in ungefähr einem Jahr – was sich dann aber als zu optimistisch herausstellt.

Als erster Markt werden Reifendruckmeßgeräte ins Auge gefaßt, die in den USA mittlerweile für neue Autos gesetzlich vorgeschrieben sind, weil ein korrekter Reifendruck Brennstoff spart und zur Fahrsicherheit beiträgt. Die gegenwärtigen Meßsensoren, die auf Batterien basieren, können drei Jahre im Reifen verbleiben, bevor sie in einem extrem aufwendigen Vorgang getauscht werden müssen (jedes Jahr werden etwa 64 Millionen dieser Batterien verbaut, anderen Quellen nach sogar 164 Mio.). Der MicroGen-Chip könne dagegen ein ganzes Autoleben lang halten.

In der nächsten Meldung vom Mai 2013 ist zu erfahren, daß der Einsatz der Chips in kommerziellem Maßstab in diesem Sommer beginnen wird. Unter dem Namen BOLT micro-power modules (MPM) werden die Low-Cost-Piezo-MEMS-Energiegewinnungschips bereits bei der Firma X-FAB Semiconductor Foundries AG in Itzehoe, Deutschland, hergestellt.

Dem Stand von 2016 zufolge bietet MicroGen diverse BOLT-R MicroPower Generators im Bereich zwischen 100 Hz und 600 Hz an, zusätzlich zu Energiespeichermodulen, die wahlweise mit einem Akkumulator oder einem Ultrakondensator bestückt sind. Die Ausgangsspannung liegt bei > 10 V, die Ausgangsleistung zwischen 25 µW und 100 µW.

Der erste Bericht des Jahres 2011 stammt aus Indien, wo Bachelor-Studenten des Sri Sai Ram Engineering College im März ein Geländefahrzeug vorstellen, mit dem sie an dem BAJA SAE India Studentenwettbewerb teilnehmen, der jährlich von der Society of Automotive Engineers (SAE) an mehreren Standorten auf der ganzen Welt durchgeführt wird.

Die BAJA SAE Asai 2011, veranstaltet von SAE Indien in Aegis beauftragt die Studenten ein Off-Road-Fahrzeug geeignet für unwegsames Gelände zu entwerfen und zu bauen. Das Projekt bildet Studenten, indem sie Kontakt mit der realen Welt Herausforderungen in der Branche geben.

Das Besondere an dem Fahrzeug des aus 23 Mitgliedern bestehenden Teams ist, daß es eine innovatives Energy-Harvesting-System besitzt, das unerwünschte Vibrationen in dem Fahrzeug in nutzbaren elektrischen Strom umwandelt. Technische Details werden nicht mitgeteilt, auch über eine weiterführende Entwicklung wird nichts berichtet.

Ebenfalls im März  2011 verlautet, daß Forscher der deutschen Firma Siemens einen kleinen Energy Harvester entwickelt haben, der mechanische Energie besonders effizient in Strom umwandelt und zudem sehr robust ist. Tests mit Prototypen seien jetzt in den Labors der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology erfolgreich abgeschlossen worden. Über diese Entwicklung habe ich bereits weiter oben unter Piezoelektrizität berichtet.

Daß am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine neue Energiegewinnungsvorrichtung von der Größe eines Viertel Dollars entwickelt worden sei, die niederfrequente Schwingungen in Strom umwandelt, wird im August 2011 berichtet. Im Gegensatz zu den existierenden Geräten, die als nicht besonders effizient gelten, kann der neue Harvester nicht nur ein breiteres Spektrum von Schwingungen in Energie verwandeln, sondern sei auch noch 100 mal stärker als ähnlich große Geräte.

Den MIT-Experten um Prof. Sang-Gook Kim und den Doktoranden Arman Hajati zufolge haben sich verschiedene Gruppen in Richtung eines gemeinsamen Designs entwickelt, bei dem ein Mikrochip mit Schichten von PZT auf die Spitze eines kleinen Auslegerbalkens geklebt wird. Wird der Chip Vibrationen ausgesetzt, bewegt sich der Ausleger wie ein kippeliges Sprungbrett auf und ab, wobei sich in den biegenden PZT-Schichten eine elektrische Ladung aufbaut, die durch Reihen von winzigen Elektroden aufgenommen werden kann.

Der Ausleger-basierte Ansatz weist jedoch eine erhebliche Einschränkung auf, da der Ausleger selbst eine Resonanzfrequenz hat – also eine spezifische Frequenz, bei der er am stärksten wackelt. Außerhalb dieser Frequenz fällt das Gewackel des Auslegers jedoch ab, zusammen mit der Menge an Energie, die erzeugt werden kann.

Statt einen Ausleger zu nutzen, konstruiert das Team einen Mikrochip mit einer kleinen, brückenartigen Struktur, die an beiden Enden mit dem Chip verankert ist. Auf dieser Brücke wird eine einzelne Schicht aus PZT abgeschieden – während in der Mitte ein kleines Gewicht plaziert wird. Die Forscher hatten berechnet, dass das Gerät mit nur einer einzigen Schicht 45 µW Leistung erzeugen könnte. Als Ziel setzen sie sich jedoch, mindestens 100 µW zu erreichen. Besonders vorteilhaft sei, daß die Vorrichtung für weniger als 1 $ produziert werden könne, was eine Vermarktung erleichtern sollte. Bislang scheint der Schritt zu einem Produkt jedoch nicht erfolgt zu sein.

Im Dezember 2011 folgt die Cranfield University mit der Präsentation eines Demonstrators als Machbarkeitsnachweis für eine Technologie der batterielosen Funkkommunikation-Sensorsysteme zur Überwachung der strukturellen Integrität.

Das 50 × 50 × 3 mm große System ist so konzipiert, daß es Energie aus den Schwingungen von Flugzeugflügeln erntet und diese mit einem piezoelektrischen Energiewandler in nutzbaren Strom für Sensoren und drahtlose Kommunikationssysteme wandelt. Das energetisch autarke System überwacht zum Beispiel die Materialermüdung der Flügel und Belastungen während des Fluges.

Im Zuge von Tests an einem simulieren Flugzeugflügel wird bei einer niedrigen Schwingungsfrequenz von 1 – 10 Hz eine relativ hohe Leistung von 1,8 – 12,0 mW geerntet. Die von Prof. Meiling Zhu geleite Forschungsgruppe zum piezoelektrischen Energy Harvesting wird vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gefördert.

Bis auf eine Masterarbeit von Yu Lo im Jahr 2015 (,Vibration energy harvesters for wireless gsensor networks for aircraft health monitoring’) ist aber nichts über weiterführende Schritte zu finden.

Ebenfalls im Dezember 2011 geben Wissenschaftler des IMEC/Holst Centre in Belgien bekannt, daß sie einen mikrobearbeiteten Harvester für Schwingungsenergie mit einer Rekordleistung von 489 μW hergestellt haben, wenn die Schwingungen nahe an der Resonanzschwingung liegen, die in diesem Fall 1011 Hz beträgt.

Messungen und Simulation zeigen, daß der Harvester auch für eine stoßinduzierte Energieernte in Autoreifen geeignet ist, wo das neue Gerät bei 70 km/h eine konstante Leistung von 42 μW liefern kann, was ausreichend ist, einen einfachen drahtlosen Sensor mit Strom zu versorgen.

IMECs innovativer Harvester besteht aus einem Ausleger mit einer piezoelektrischen Schicht aus Aluminiumnitrid (AlN), die zwischen metallischen Elektroden angeordnet ist, um einen Kondensator zu bilden. An der Spitze des Auslegers ist eine Masse befestigt, welche die makroskopische Schwingung in eine vertikale Bewegung umsetzt und die piezoelektrische Schicht belastet. Zusammen mit einem Automobilpartner validiert IMEC auch die Verwendung des Harvester für den Einsatz in Autoreifen.

Gemeinsam mit der japanischen Firma OMRON präsentiert das IMEC im Juli 2014 den Prototyp eines extrem kompakten Schwingungsenergie-Systems mit der gegenwärtig weltweit höchsten Effizienz. Die Prototyp mißt nur 5 x 6 cm und soll das Potential haben, auf 2 x 2 cm verkleinert zu werden.

Die geringe Größe, das geringe Gewicht von 15,4 g und eine benutzerspezifische, variable Ausgangsspannung zwischen 1,5 V und 5 V machen ihn ideal für eine breite Palette von Anwendungen. Die seit 1933 bestehende OMRON, ein weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet der Automatisierung, führt nun gemeinsam mit Kunden eine Reihe von Feldversuchen durch, bevor die Serienproduktion beginnt. Zumindest bis zum Datum des aktuellen Updates Mitte 2016 läßt sich aber nichts darüber finden, daß dies tatsächlich stattgefunden hat.

Parallel dazu arbeitet das IMEC auch mit der japanischen Firma Panasonic zusammen. Im Juni 2013 zeigt ein gemeinsames Team auf einer internationalen Konferenz über Solid-State-Sensoren, Aktoren und Mikrosysteme in Barcelona einen neuen Schwingungsenergie-Harvester, der auf einem gewellten SiO₂-Si₃N₄ Elektret basiert.

Das Gerät besitzt eine Grundfläche von nur 1 cm² und wurde speziell für Reifendruck-Überwachungssysteme (TPMS) entwickelt. Wenn es durch eine Sinusschwingung angeregt wird, erzeugt es eine maximale Leistung von 160 μW. Mit Schallschwingungen, wie sie beispielsweise in einem Reifen auftreten, beträgt die generierte Leistung zwischen 10 μW und 50 μW, was bereits ausreichend ist, ein einfaches TPMS-Modul zu betreiben.

Der neue elektrostatische Vibrations-Harvester wird durch das Stapeln und Verbinden von drei Wafern hergestellt. Der zentrale Wafer enthält einen mechanischen Resonator, der aus einer Prüfmasse und in Silizium geätzten Federn besteht. Die Prüfmasse trägt an der Unterseite ein gewelltes Elektret, das durch die Koronaladung eines SiO₂-Si₃N₄-Stack erhalten wird. Der untere Wafer ist aus Glas und beinhaltet zwei Metallelektroden, die mit einem Lastkreis verbunden sind. Die obere Glasscheibe wird als Deckel zum Schutz des Gerätes verwendet und ermöglicht eine Vakuumverkapselung.

Wird der Harvester einer externen Vibrationen ausgesetzt, bewegt sich die Prüfmasse relativ zur Hülle und geht schließlich in Resonanz. Im Ergebnis induziert das elektrische Feld, das durch die Permanentladung des Elektrets erzeugt wird, in beiden Elektroden des unteren Wafers Gegenladungen. Die Höhe der Gegenladungen auf jeder Elektrode entspricht dabei dem Fluß der elektrischen Verschiebung über ihre Oberflächen. Wenn die Masse den Elektret bewegt, ändert sich das elektrische Feld entlang der Lücken – und somit auch die an jeder Elektrode induzierten Gegenladungen. Dies führt zu einem elektrischen Strom, der durch den zwischen den beiden Elektroden verbundenen Lastkreis fließt.

Im Februar 2012 ist zu erfahren, daß ein Doktoranden-Team der Wayne State University für eine Energie-Harvesting-Technologie den mit 50.000 $ prämierten ersten Preis der Michigan Clean Energy Venture Challenge gewonnen hat. Auch dieses Gerät erzeugt Strom aus Vibrationen.

Das Start-up Piezo PowerTech von Yating Hu und ihren Mitgründern Junhui Zhao und Hongen Tu mit Sitz in Detroit konzentriert sich zunächst auf den Markt der Reifendrucksensoren und wird das Preisgeld verwenden, um den Prototypen zu verbessern und potentiellen Herstellern zu präsentieren. Weitere Schritte sind bislang nicht zu verzeichnen.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Weitere Technologien

Zu diesen gehört z.B. der große Bereich der Energie-Rückgewinnung, den ich jedoch weitgehend unterteilt habe. So wird die Wärmerückgewinnung gesondert behandelt, während die dieversen Methoden zur Rückgewinnung von Bewegungsenergie oben bereits ausgeführt wurden. Die bislang am häufigsten umgesetzten Technologien betreffen die Rückgewinnung von Bremsenergie, die deshalb im Kapitel zur elektrischen Mobilität aufgeführt wird.

Nur als Beispiel sei an dieser Stelle erwähnt, daß es neben der Vielzahl kommerzieller Systeme auch Sonderanwendungen gibt - wie beispielsweise für die Formel 1. So gibt die Firma Freescale Semiconductor im November 2008 bekannt, daß man in Zusammenarbeit mit McLaren Electronic Systems ein regeneratives Bremssystem entwickelt, das dem Wagen beim Beschleunigen zusätzliche Kraft verleiht und bereits in der Rennsaison 2010 zum Einsatz kommen soll.

In diesem Kapitelteil werden nun diverse, zum Teil äußerst interessante Technologien und Konzepte aufgeführt, die sich gegen eine Zuordnung zu den vorangegangenen Bereichen sträuben.

Dazu gehört beispielsweise eine Technik die belegt, daß man die langsame Abwärtsbewegung fester Massen energetisch gut nutzen kann, und dies sogar in industriellem Maßstab. Bewieses wird dies anhand der 3.200 m hoch in den Anden gelegen Kupfermine Los Pelambres, Chile, die mit Automatisierungs- und Antriebslösungen von Siemens ausgestattet ist. So erzeugt das 13 km lange abwärtsfördernde Bandanlagensystem für Kupfererz eine große Menge an elektrischer Energie, die in das Netz eingespeist wird.

Ab einer bestimmten Beladung arbeiten die Antriebe der Bandanlage im Generatorbetrieb, wodurch die potentielle Energie des abgebauten Kupfererzes in Strom umgewandelt wird. Bei seiner nominalen Beladung erzeugt das Förderband 17 MW. 2007 beträgt die so erzeugte Strommenge 90 Mio. kWh – so daß man hier wahrlich nicht mehr von einem ‚Micro Energy Harvesting’ sprechen kann (ich wüßte allerdings nicht, wo ich diese Energieerzeugungsmethode sonst einordnen sollte...).

Doch zurück zu den kleinen Dimensionen: Im August 2007 teilen Wissenschaftler des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) mit, daß sie einen ersten NEMS (Nano-Electro-Mechanical System) Stromgenerator in der Größe einiger Nanometer entwickelt haben, der die Energie für künftige Nanomaschinen liefern könnte. Bislang war dies nur in der Größenordnung der MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) möglich, also im Bereich von Mikrometern.

Bei dem aktiven NEMS handelt es sich um eine oszillierende Nanoröhre aus Silizium, die ohne äußere Energiequelle ein periodisches elektrisches Signal erzeugen kann. Angestoßen durch ein elektrisches Feld, wird eine Instabilität erzeugt, die Schwingungen zur Folge hat, welche wiederum die Spannung beeinflussen und sich so aufrechterhalten.

Inspiriert werden die Forscher um Prof. Emmanuel de Langre und Olivier Doare von einem gut bekannten hydrodynamischen Phänomen: Wenn man eine Flüssigkeit durch eine elastische Röhre oder einen Schlauch preßt, erzeugt dies eine kräftige Oszillation – wie man sie von einem umherhüpfenden Gartenschlauch kennt.

Der Schweizer Uhrenhersteller Ulysee Nardin entwickelt in Zusammenarbeit mit der europäischen Gesellschaft SCI Innovations das weltweit erste mechanische Mobiltelefon, dessen Stromversorgung auf einem mechanischen Rotor basiert, wie er bislang automatischen Uhren vorbehalten war. Entsprechend hoch ist auch der Preis.

Bei der ersten Vorstellung des Chairman genannten Smartphone auf der Baselworld 2008 Armbanduhr-Messe erwartet das Unternehmen 300 bis 400 Vorbestellungen – tatsächlich gehen jedoch über 8.000 Vorbestellungen ein. Und dies, obwohl bis dato noch nicht viele Details zu erfahren sind. Bekannt wird nur, daß der Chairman einen integrierten Akku enthält, der die kinetische Energie des Rotors speichert. In seiner Gestaltung integriert das Gerät diesen Rotor so, daß er an der Rückseite des Telefons gut sichtbar ist.

Einem Bericht vom Juni 2010 zufolge wird das GSM 3G Handy mit 32 GB internem Speicher, einem 3,2-Zoll-Touchscreen-Display aus Saphirglas und einem Daumenabdruck-Leser auf der Vorderseite für die individuelle Entriegelung zu Preisen von 12.000 - 50.000 $ angeboten. Eine Deluxe-Sonderedition namens Diamond, die mit mehr als 3.000 handgeschnittenen 17-karätigen Diamanten geschmückt ist, schlägt mit rund 130.000 $ zu Buche. Trotzdem besteht aufgrund der hohen Nachfrage eine siebenmonatige Wartezeit dafür.

Da Ulysse Nardin von jedem Design nur 1.846 Kopien macht (eine Hommage an das Gründungsjahr des Uhrmachers, 1846), ist die erste Partie, ein mitternachtsschwarzes Modell mit Edelstahl, das Mitte Januar 2012 ausgeliefert wird, schon einen Monat später ausverkauft.

Auf einem ähnliches Konzept basiert auch die aus Aluminium und Glas bestehende Designstudie Atlas Kinetik des Designers Ricardo Baiao aus der Umgebung von Lissabon, Portugal, die im Februar 2008 in den Blogs vorgestellt wird.

Das Handy, dessen Energieversorgung ebenfalls über kinetische Energie erfolgen soll, ist ein simples Telefon ohne MP3-Player, Kamera, WLAN, Browser und ähnlichen Multimedia-Schnickschnack, der den Akku nur unnötig belasten würde. Stattdessen steckt ein rotierendes Gewicht im Inneren der Konstruktion aus Glas und Alu, das bei Bewegungen einen Generator antreibt und die Energie im integrierten Akku speichert.

Geht dem Atlas Kinetik der Saft aus, muß man es nur etwas schwenken und schütteln – schon kann man wieder telefonieren. Leider handelt es sich dabei bislang nur um eine Studie.

Ein weitere Designstudie für ein zukünftiges zusammenklappbares Handy, das ebenfalls mit kinetischer Energie betrieben wird, präsentiert im April 2009 der japanische Konzern Kyocera.

Das von der Industriedesignerin Susan McKinney entworfene EOS-Handy besteht aus einer nachgiebigen, halbsteifen Polymer-Hülle, die das flexible OLED-Display umgibt. Beim Aufklappen tritt zusätzlich eine QWERTY-Tastatur zum Vorschein.

Seine Energie erhält das EOS durch menschliche Interaktion, etwa durch das Auf- und Zuklappen. Je mehr es also benutzt wird, desto mehr kinetische Energie wird freigesetzt, die in einem piezoelektrischen Generator von Nano-Größe in Strom umgewandelt wird und den Akku des Handys lädt.

Genauere technische Details sind noch nicht bekannt, auch wann und ob die Handy-Studie die Marktreife erreicht, bleibt abzuwarten. Bislang ist davon jedenfalls noch nichts zu sehen.

Im Juni 2010 präsentieren die Blogs eine seltsame Vorrichtung, die von den brasilianischen Designern Martina Pagura und Pedro Nakazato Andrade im Rahmen eines zweiwöchigen Workshops zu tragbaren Kleidungsstücken, die interaktiv auf Umweltveränderungen reagieren, entwickelt wird.

Bei dem W/Air handelt es sich um eine ,atmende Halskette’, die Kohlendioxid aus der Luft filtert, in einer Kartusche speichert und in Strom umwandelt, um ein Mobiltelefon oder einen tragbaren Musik-Player mit Strom zu versorgen.

W/Air überwacht auch die Qualität der Umgebungsluft. Erreicht die Schadstoffbelastung eine Spitze, ertönt aus der Maske ein Alarm, um ihrem Träger zu sagen, daß es Zeit ist die Nasen/Mund-Haube vor das Gesicht zu ziehen. Dann pumpt die Maske lebenswichtigen Sauerstoff hinein, während sie gleichzeitig Kohlendioxid aus der Atmung und Umwelt einlagert.

Ebenfalls Gase nutzen und diese in Strom verwandeln soll ein Kanaldeckel, dessen Konzept die Designer Wang Yi und Ji Ze im März 2012 vorstellen.

Nach Angaben der Innovatoren neigen Methan und andere schädliche Gase dazu, sich im Laufe der Zeit zu konzentrieren, was möglicherweise zu Explosionen führt – weshalb der autonome Kanaldeckel auch rot zu blinken beginnt, sobald er gefährliche Werte detektiert.

Der ,intelligente Kanaldeckel’ ist aber nicht nur in der Lage, Autofahrer und Fußgänger vor Methan- und Schadgaskonzentrationen in den Leitungen unter der Straße zu warnen – sondern er kann das Methan aus dem Untergrund auch zu seiner eigenen Stromversorgung einsetzen.

Zudem existiert im Inneren die entsprechende Hardware, um die kinetische Energie von Autos und Menschen zu erfassen, die darüber fahren und laufen, und diese ebenfalls als Strom zu speichern. An seiner Unterseite besitzt der Deckel eine normale Steckdose, sodaß Arbeiter, die unter der Erde oder in der Nähe tätig sind, den Strom dann für ihre Ausrüstung verwenden können. Bislang ist die Idee jedoch nicht verwirklicht worden.

Ebenfalls im März 2012 zeigt das Chung-Shan Institute of Science and Technology (CIST) auf einer Ausstellung im Lung-Yuan Research Park in Taoyuan, einem Bezirk im Norden von Taiwan, drei neue Energie-Kreationen.

Neben einem durch Solarenergie und Wärmerückgewinnung angetriebenen Dünebuggy sowie einer unterbrechungsfreien Stromversorgung wird eine mobile Hühnchen-Braterei präsentiert, welche die Abgase aus dem Bratvorgang in Strom umwandelt, um damit den Bedarf des Wagens für seine Beleuchtung, das Filtern des Küchenqualms und die Versorgung des Schutzsystems und der Werbetafeln zu decken.

Die Idee für den Wagen entstammt dem Stromerzeugungsprozeß durch die Rückgewinnung der Wärme, die von Militärfahrzeugen emittiert wird. Dem CIST zufolge kostet das Hühnchen-Wagensystem, das auch dabei hilft, die Abgase zu reduzieren, knapp 1.700 $.

Eine sehr sinnvolle Umsetzung, die auch im März 2012 erstmals in den Blogs erscheint, stammt von dem 2010 gegründeten Startup Aperia Technologies Inc. in Burlingame, Kalifornien. Hinter dem Unternehmen stecken die beiden Ingenieure Josh Carter und Brandon Richardson, die sich an der Stanford-Universität kennengelernt haben, als sie dort ihre Master-Abschlüsse machten.

Der Halo Tire Inflator ist ein neues Gerät, das die Umdrehungen eines Reifens nutzt, um diesen selbsttätig auf einem optimalen Niveau aufgeblasen zu halten – was bei großen Fahrzeugflotten durch die Verringerung Reifenrollwiderstands zu beträchtlichen Kraftstoffeinsparungen führen kann. Das Teil in einem Reifen zu installieren, dauert nur 5 – 10 Minuten, eine Wartung ist danach nicht erforderlich.

Nachdem die Firma im Jahr 2011 Investitionsmittel von dritter Seite bekommt, folgen im gleichen Jahr die ersten Feldtests. 2012 und 2013 wird die Entwicklung weiter optimiert, zusammen mit Flottenbetreibern werden Langzeittests durchgeführt und es werden Patente angemeldet, z.B. ,Tire inflation system’ (US-Nr. 8.763.661, angemeldet 2011, erteilt 2014); ,Energy extraction system’ (US-Nr. 9.080.565, 2013/2015) oder ,Passive pressure regulation mechanism’ (US-Nr. 9.222.473, 2013/2015).

Als das automatische Reifenfülldruck-Gerät 2014 auf den Markt kommt, verspricht das Unternehmen bei Traktoren und Lastwagen jährliche Einsparungen von bis zu 2.400 $.

Überraschenderweise – denn bislang ist diese Institution erst ein einziges Mal in Erscheinung getreten (bei den Blitzen) – erfährt man im November 2012, daß Wissenschaftler der Freien Universität Berlin zeigen konnten, wie Energie aus der stochastische Bewegung einzelner Wasserstoffmoleküle extrahiert werden kann, um eine ,mechanische Maschine’ anzutreiben.

Dem Team um Prof. Felix von Oppen gelingt es, zufällige Fluktuationen, denen viele Vorgänge in der Natur unterliegen - wie etwa der Strömung von Flüssigkeiten oder elektromagnetischer Strahlung, und die oftmals als ,Rauschen’ bezeichnet werden -, auf künstliche Nanostrukturen zu übertragen. Die Forschungsergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Entwicklung molekularer Motoren.

In ihrem Versuch können die Wissenschaftler mit der stochastischen Bewegung – dem Rauschen – eines einzelnen Wasserstoffmoleküls periodische Oszillationen einer makroskopischen Stimmgabel antreiben, was bedeutet, daß das kleinste Molekül der Elemente eine 1.019 mal größere Masse in Schwingung versetzen kann.

Das FU-Experiment beruht auf dem Prinzip der Stochastischen Resonanz, nach dem das Zusammenspiel der zufälligen Bewegung des Wasserstoffmoleküls mit der periodischen Bewegung des Oszillators zu einer verstärkten Energieübertragung von Molekül zu Oszillator führt. Hierzu wird das Wasserstoffmolekül in einer winzigen Lücke zwischen einer flachen Metalloberfläche und der atomar scharfen Drahtspitze eines Rasterkraftmikroskops eingeschlossen, die an einer Stimmgabel angebracht, deren genaue Frequenz von Kräften auf der Nanometerskala abhängt.

Die stochastische Bewegung des Moleküls übt eine antreibende Kraft auf die Spitze aus, während die Oszillation der Stimmgabel (und damit der Spitze) wiederum die Moleküle in Bewegung versetzt. Dieses Wechselspiel führt zu einem gemeinsamen ,Tanz’ von Molekül und Spitze, bei dem sich die Schwingung der Stimmgabel weit über die Ausdehnung der Moleküle hinaus aufschaukelt.

Die stochastische Bewegung der Moleküle wird im Experiment durch einen aufgeprägten Stromfluß zwischen Spitze und Metalloberfläche ausgelöst, doch prinzipiell sind auch andere Anregungsmechanismen denkbar, etwa Licht. In der Natur ist die Energieumwandlung via Stochastischer Resonanz auch von molekularen Maschinen in der Zelle bekannt. Nun sollen weitere Quellen molekularen Rauschens wie elektronische oder magnetische Fluktuationen gefunden werden, um die Effizienz der Energieübertragung auf den mechanischen Oszillator zu optimieren.

Im Oktober 2013 meldet die Presse, daß Experten des Forschungs- und Entwicklungslabors Disney Research Pittsburgh eine Technik entwickelt haben, bei der Energie gewonnen wird, indem einfach auf einem Stück Papier gerieben wird. Die Energie-Harvester sind flexibel, leicht und preiswert, und sie nutzen – ja nach Ausführungsform – Gesten des Benutzers wie Klopfen, Berühren, Reiben oder Gleiten um die Energie zu erzeugen.

Der Papierstromgenerator basiert auf Elektreten aus PTFE (Teflon), die eine quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen enthalten. Reibt man ein mit einer leitenden Tinte bedrucktes Papier auf dem negativ geladenen Teflon, generiert man damit eine schwache Spannung. Als Zwischenspeicher wird ein kleiner Kondensator verwendet.

Damit ließe sich beispielsweise der Strom gewinnen, um Kinderbücher interaktiv zu machen, bei denen LEDs angehen, ein kleines Display Texte und Animationen zeigt und vieles mehr.

Mehr über Geräte auf der Grundlage von Elektreten findet sich im Kapitelteil Elektrostatik (s.d.).

Und um im Zusammenhang zu bleiben: Über die Entwicklung einer ähnlichen Technik wird im Juli 2015 berichtet. Diesmal sind es ein internationales Forscherteam um Liangbing Hu von der University of Maryland und Jun Zhou von der University of Science & Technology im chinesischen Wuhan, dem ein großer Schritt in Richtung in Papier eingebetteter Elektronik gelingt.

Das Team entwickelt ein Elektronik-Gerät, das aus Nanopapier besteht und selbst mit Strom versorgt, indem Energie über das Prinzip der elektrostatischen Induktion gewonnen wird. Wird das Papier zusammengedrückt und losgelassen, fließt entsprechend Strom. Nanopapier ist ein verstrickte Matte aus Cellulosefasern, die nur Nanometer breit sind, statt Mikrometer groß, wie in normalem Papier.

Die feineren Fasern machen das Nanopapier transparent und auch glatt wie Kunststoff, wodurch es ideal zur Abscheidung von ultradünnen Schichten elektronischer Materialien für Schaltungen wird. Verschiedene Teams haben bereits organische Leuchtdioden, Transistoren und Antennen auf Nanopapier gemacht. Diese Geräte benötigen jedoch alle eine externe Stromquelle.

Für ihren funktionsfähigen Nano-Generator versehen die Forscher zwei Lagen des Nanopapiers mit Kohlenstoff-Nanoröhren als Elektroden und bedecken zusätzlich einen der beiden Nanopapier-Bögen mit einer nur 30 µm dicken Schicht des transparenten Kunststoffs Polyethylen (PE), der zuvor in einem Hochspannungsfeld negativ geladen wurde. Beim Übereinanderstapeln der Nanoschichten fungiert die Polyethylen-Schicht als Trennung. Zwischen der PE-Schicht und dem Nanopapier befindet sich außerdem eine dünne Luftschicht, die wiederum für die Trennung der Ladung elementar wichtig ist.

Wird das Nanopapier zusammengedrückt, verringert sich der Luftspalt, so daß sich die negativ geladene PE-Schicht dem unteren Nanopapier-Bogen nähert, wodurch ein Ungleichgewicht innerhalb der Ladungen erzeugt wird. Da das Material versucht, das Ungleichgewicht aufzuheben und wieder ein Ladungsgleichgewicht herzustellen, stellt sich ein Stromfluß ein, der über die auf dem Papier angebrachten Leiterbahnen abgeführt und für den Betrieb eines LCD-Displays oder ähnliches genutzt werden kann.

Bei den ersten Tests wird ein 2 x 2 cm großes transparentes Stück Nanopapier mehrfach gedrückt, wodurch sich tatsächlich ein kleines und wenig Strom benötigendes LCD-Display betreiben läßt. Das stromproduzierende Nanopapier, das den Forschern zufolge ohne Verluste mehr als 54.000 Zyklen von Drücken und Loslassen übersteht, sei sehr attraktiv für die Massenproduktion und würde auch eine umweltfreundliche Entsorgung erlauben.

Wissenschaftler der University of Texas in Dallas um die Professoren Jiyoung Kim und Kyeongjae Cho haben nach Berichten vom Oktober 2014 eineTechnologie geschaffen, welche die Leistung eines einzelnen Elektrons anzapft, um den Energieverbrauch innerhalb von Transistoren zu steuern. Mit im Team sind auch Kollegen der Lam Research Corporation in Kalifornien, der Nankai University in China, der University of Michigan und der University of Texas in Arlington.

Die Forscher hatten festgestellt, daß bei Hinzufügen einer Atom-dünnen Schicht eines Chromoxid-Dünnfilms zu einem Transistor, diese Schicht als Filter gegenüber der Energie wirkt, die bei Raumtemperatur durch den Transistor fließt. Das Signal, das von der Vorrichtung resultiert, ist sechs bis sieben mal steiler als bei herkömmlichen Geräten. Was bei einem gleichstarken Signal weniger Spannung verbraucht.

Das Erschließen des einzigartigen und subtilen Verhaltens eines einzelnen Elektrons ist die energieeffiziente Art und Weise, Signale in elektronischen Geräten zu übertragen. Da das Signal so klein ist, kann es leicht durch thermisches Rauschen bei Raumtemperatur ,verdünnt’ werden. Um dieses Quantensignal sehen zu können, verwenden die Ingenieure und Wissenschaftler in der Regel externe Kühltechniken, welche die Wärmeenergie in der Elektronenumgebung kompensieren. Der neue Filter bietet nun einen weiteren Weg, um das thermische Rauschen effektiv herauszufiltern.

Eine der verwendeten Innovationen, um diese Technologie zu schaffen, ist die vertikale Schichtung des System, die praktikabler ist, wenn die Geräte kleiner werden. Hierbei fließt der Strom von oben nach unten, statt wie traditionell von links nach rechts. Die Testergebnisse im Labor zeigen, daß damit bei Raumtemperatur eine Elektronen-Signalstärke erreicht wie, wie sie in herkömmlichen Vorrichtungen erst bei bei minus 192°C gelingt. Außerdem behält das Signal alle seine anderen Eigenschaften bei.

Cho, der fortgeschrittene Modellierungstechniken verwendet, um die Labor-Phänomene zu erklären, weist darauf hin, daß die Kühlung der thermischen Ausbreitung in modernen Transistoren die Grenze dafür bildet, wie klein die Elektronik hergestellt werden kann. Mit der neuen Technik, um die Elektronen intern zu kühlen, was zudem eine Reduzierung der Betriebsspannung ermöglicht, können somit kleinere und energieeffizientere Geräte geschaffen werden.

Diese Arbeit wird vom Office of Naval Research und der National Science Foundation finanziert.

Im September 2014 erhält der Erfinder Harold J. Goldbaum aus Vero Beach, Florida, das Patent für ein ,Electromagnetic induction device for generation of electrical power’ (US-Nr. 8.847.720, angemeldet 2012), dessen Funktion ausschließlich auf bekannten elektromagnetischen Phänomenen basiert, die bislang aber noch nicht angewendet worden sind, wie der Beschreibung zu entnehmen ist.

Mit dem Konzept seiner elektromagnetischen Induktions-Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität beteiligt sich Goldbaum auch am Create the Future Design Contest der NASA des Jahres 2014 – erhält dort aber Null Stimmen. Da ich die Erklärungen zum Aufbau und zur Funktion nicht nachvollziehen konnte, verweise ich bei Interesse auf das genannte Patent.

Daß man Strom sogar aus einem Seidenspinner-Kokon erzeugen kann, berichten Wissenschaftler des Indian Institute of Technology Kanpur um Brindan Tulachan und Sunil Kumar Meena im August 2014. An dem großen Team sind auch Kollegen der Delhi University, des Sanjay Gandhi Postgraduate Institute of Medical Sciences und der Defense Research Development Organization in Delhi beteiligt.

Die Kokon-Membranen eines Seidenspinners (Bombyx mori) enthalten Spurenmengen von Elementen wie Natrium, Chlor, Kalium, Magnesium, Schwefel, Kalzium und Kupfer, sowie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Die indischen Wissenschaftler haben nun einen Weg entdeckt, diese Elemente zu ernten und mit Hilfe von Wasser Strom aus ihnen zu machen.

Das Benetzen des Kokons läßt die Spurenelemente mobile, ladungstragende Ionen bilden, die einen elektrischen Strom über die Membran des Kokons produzieren. Indem sie eine Aluminiumelektrode auf der Innenfläche, und eine Kupferelektrode auf der Außenfläche der Kokons anbringen und drei davon in Reihe geschaltet Wasserdampf aussetzen, gelingt es ihnen genügend Strom ein LED-Licht zu gewinnen.

Das Team plant nun, den Einsatz von Seidenspinner-Kokons als Batterie zu vermarkten und hofft, daß sich die Batterien auch aus dem Seidenprotein Sericin herstellen lassen, das im Zuge der gewerblichen Textilproduktion verschwendet wird.

Im Dezember 2014 meldet die Presse, daß Prof. Trisha Andrew Milliarden von Wattstunden einsparen will, indem sie so gut wie jedes existierende elektronische Gerät revolutioniert. Dies soll durch die Steuerung des Elektronenspins erreichen lassen – wobei die Geräte heruntergefahren werden, wenn der richtige Spin fehlt.

Andrew hatte bereits eine lange Reihe von Auszeichnungen erhalten, bevor sie im Jahr 2010 begann, an der University of Wisconsin-Madison zu arbeiten. Im Jahr 2013 erhielt sie den 3M Non-Tenured Faculty Award, und im Oktober dieses Jahres wurde sie zum Packard Fellow für Wissenschaft und Technik ernannt. Die  Auszeichnung in Höhe von 875.000 $ wird nun dazu beitragen, ihre Forschungen fünf Jahre lang zu finanzieren.

Das Problem bei der Verschwendung von Strom in elektronischen Geräten begründet die Wissenschaftlerin mit einem quantenmechanischen Phänomen namens Tunneleffekt. Solange die Geräte eingesteckt sind – auch wenn der Netzschalter ausgeschaltet ist – besteht eine geschlossene Schaltung, die Leckstrom zieht. Das dies in jedem Transistor in jedem Gerät geschieht, würde dies zu jeder Zeit etwa 5 % der gesamten weltweiten Stromverbrauchs verbrauchen.

Da Elektronen ein Charakteristikum aufweisen, das Spin genannt wird, soll es durch eine Änderung der Struktur der elektronischen Schaltung, bei der nur Strom der einen Spinrichtung oder der anderen passiert, möglich sein den Strom zu steuern und die Leckage zu verhindern. Was natürlich erfordern würde, jedes Bit der Elektronik neu zu konfigurieren.

Der Forscher Jing Liu und seine Kollegen von der Tsinghua University in Peking berichten im März 2015 über die Entwicklung eines Motors aus Flüssig-Metall, der sich von selbst fortbewegt und nicht auf externe Energiequellen angewiesen ist. Durch Zugabe von Strom ist der kugelähnliche Motor zudem in der Lage, seine Gestalt beliebig zu verändern. Wird der Strom abgeschaltet, verwandelt sich der Motor wieder in seine Ausgangsform zurück – was in den Blogs natürlich sofort mit dem gefürchteten Cyborg T1000 aus dem Film Terminator 2 in Verbindung gebracht wird, der ebenfalls eine beliebige Gestalt annehmen kann.

Bei dem aktuellen Durchbruch kommt ein Gemisch aus Gallium, Zinn und Indium zum Einsatz, das dafür sorgt, daß das Metall bei Raumtemperatur flüssig ist. Wird das Gemisch in eine Natriumhydroxid- oder Kochsalzlösung befördert und trifft dort auf Aluminium-Flocken, bewegt es sich etwa eine Stunde lang von alleine, ohne daß dafür äußere Einflüsse benötigt werden. Die beiden Zusatzstoffe können folglich als Treibstoff angesehen werden.

Das Gemisch kann sich dabei in einer geraden Linie bewegen, im Kreis entlang der Innenseite einer runden Schale, oder sich durch komplexe Formen hindurch quetschen, wobei der Motor perfekt die Bewegungen natürlicher Organismen nachahmt. Bei den Experimente zeigt sich, daß zwei Mechanismen für die Bewegung verantwortlich sind. So stammt ein Teil des Schubs aus einem Ladungsungleichgewicht in dem Tropfen, das wiederum zu einer Druckdifferenz zwischen der Vorderseite und der Rückseite führt und den Tropfen nach vorne drückt. Außerdem reagiert das Aluminium mit dem Natriumhydroxid, wobei Wasserstoffblasen freigesetzt werden, die den Tropfen noch schneller werden lassen.

Zum Einsatz kommen sollen die neuen Flüssigmetall-Motoren vorranngig als selbstangetriebene Wasserpumpen, die kaltes Wasser durch Kühlanlagen befördern. Forscher am Royal Melbourne Institute of Technology University hatten schon im Januar 2014 gezeigt, daß ein stationärer Galliumtropfen als Pumpe wirken kann, wenn er in einem elektrischen Feld plaziert wird. Das Tsinghua-Team entwickelt diese Idee nun weiter und kann zeigen, daß der neue selbstangetriebene Motor ebenfalls als Pumpe agiert und pro Sekunde etwa 50 ml Wasser befördern kann, wenn er fixiert wird.

Daß der weltweit kleinste Motor von nur einem einzigen Atom angetrieben werden kann, meldet ein Team deutscher Physiker der Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) um Prof. Kilian Singer und Johannes Roßnagel im April 2016. Die neuartige Wärmekraftmaschine wurde in der Arbeitsgruppe QUANTUM am Institut für Physik der JGU aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg realisiert.

Die Wissenschaftler nutzen eine sogenannte Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern, das dann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt wird. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozeß, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt, womit das Atom gleichermaßen die Rolle des Motors und des Energiespeichers spielt.

In ausführlichen Meßreihen können die Physiker das thermodynamische Verhalten des Ein-Atom-Motors charakterisieren: So liefert dieser eine Leistung von 10^-22 W und hat eine Effizienz von 0,3 %. Bezogen auf die geringe Masse eines Atoms ist diese Leistung vergleichbar mit der eines Automotors, auch wenn der Wirkungsgrad bislang noch wesentlich geringer ist. Durch die Umkehr des Kreisprozesses kann die Maschine auch noch als einatomiger Kühlschrank betrieben werden und angekoppelte Nanosysteme kühlen.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, daß die Realisierung eines solchen Nanomotors auch einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt. In Zukunft ist daher geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und die thermodynamischen Quanteneffekte zu untersuchen. In theoretischen Arbeiten wird zudem vorgeschlagen, die Leistung des Motors durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern.

Das durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die VolkswagenStiftung geförderte Projekt bietet somit vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Im Mai 2016 kursieren in den Blogs Abbildung eines autarken Brandbekämpfungssystems, welches als Energiequelle das Feuer selbst verwendet.

Der Sea-Can des Erfinders Eddie Paul besteht aus einem Container voll mit feuerhemmendem Schaum und einer Spritzpumpe, die durch die Hitze des Feuers aktiviert und mit Strom versorgt wird. Die Form eines Containers ist ideal dafür, um schnell und einfach per LKW, Schiff oder Hubschrauber zu dem Punkt gebracht zu werden, wo das System gebraucht wird.

Dieses ruht am Boden, bis durch das Feuer die direkte Umgebungstemperatur auf knapp 95°C ansteigt. An diesem Punkt fallen die Seitenteile nach unten und eine Reihe von Düsen steigen aus dem Dach hervor. Die Seitenteile sind über ihre gesamte Fläche mit Kupferrohren bestückt, in denen Wasser zu kochen beginnt, sobald in diesen Rohren eine Temperatur von 100°C erreicht wird.

Nur durch die Hitze ,befeuert’ treibt das kochende Wasser eine ebenfalls von Paul erfundene und patentierte hocheffiziente, kompakte und einfache Dampfpumpe namens Cylindrical Energy Module (CEM)  an, die aus den oberen Düsen feuerhemmenden CAFS-Schaum versprüht (= Compressed Air Foam System), welcher ein Bereich von 150 m im Durchmesser bedeckt. Der Schaum wird solange gepumpt, bis der Nachschub erschöpft ist oder die Hitze des Feuer unter die Siedeschwelle des Wassers in den Kupferrohren sinkt.

Ein besonderer Vorteil ist, daß das System ohne Wartung jahrelang an Ort und Stelle in Bereitschaft bleibt und auch keinen externen Kraftstoff benötigt. Und da das selbsttätige Öffnen und die Löschfunktion ohne menschliches Eingreifen erfolgen, braucht sich auch niemand in Gefahr zu bringen, um es zu aktivieren.

Im gleichen Monat stellen Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart in Zusammenarbeit mit Kollegen des Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) in Barcelona und der Nanyang Technological University in Singapur einen neu entwickelten, röhrenförmigen Mikroroboter vor, kleiner als ein menschliches Haar breit ist, der eine billigere und effektivere Methode zur Entfernung von Schwermetallen aus dem Wasser bietet, als bisherige Verfahren.

Bei ihrem Machbarkeitsnachweis konzentrieren sich die Wissenschaftler um Sámuel Sánchez zunächst auf die Entfernung von Blei, das als wichtiger und häufiger Abwasser-Schadstoff auftritt. Die ersten selbstangetriebenen Mikroroboter verwenden daher eine Außenhülle aus Graphenoxid, welche die Blei-Ionen bindet, mit denen sie in Berührung kommt.

Mit rund 400.000 Mikrobots pro Milliliter gelingt es, Blei aus 3 ml Industrieabwasser zu adsorbieren und das Niveau von 1.000 ppm (Teilchen pro Milliarde) in nur einer Stunde um mehr als 95 % auf unter 50 ppm zu reduzieren.

Da die innere Platinschicht der Roboter als Antrieb und zerfallendes Wasserstoffperoxid als Treibstoff funktioniert, können sich diese selbst antreiben. Wird dem Abwasser nämlich Wasserstoffperoxid zugesetzt, zersetzt das Platin dieses zu harmlosem Wasser und Sauerstoffblasen, welche von der Rückseite des Mikroroboters zu dessen Antrieb ausgestoßen werden.

Zwischen dem Graphenoxid und den Platinschichten befindet sich als dritte Funktionsschicht eine aus Nickel, die es den Forschern ermöglicht, die Bewegung und Richtung der Mikroroboter magnetisch von außen zu steuern. Ein Magnetfeld kann auch verwendet werden, um sie alle aus dem Wasser zu sammeln, wenn sie ihre Reinigungsarbeit beendet haben. Besonders interessant: Das Blei kann zum Recycling entnommen werden, indem die Bots mit einer sauren Lösung behandelt werden, sodaß sich die Mikroroboter auch immer wieder verwenden lassen – möglicherweise monatelang –, bis sie beginnen beschädigt auszusehen.

Neben dem Abfangen von Schwermetallverunreinigungen studieren die Forscher auch selbstangetriebene Microbots, die in der Lage sind organische Verschmutzungen abzubauen. Außerdem wollen sie daran arbeiten, sie in großen Mengen herstellen zu können – und  die Kosten für ihre Herstellung zu senken.

Ebenfalls im April 2016 berichten der Chemiker Paul Cherukuri und sein Team an der Rice University in Texas über eine neue Technik zur Selbstorganisation von Nanoröhrchen, die zudem auch noch interessante energetische Aspekte aufweist. Weitere Mitglieder dieses Teams kommen von der University of Tennessee - Chattanooga sowie der Texas A&M University.

Für die Teslaphorese genannte Methode bauen die Forscher einen Tesla-Transformator um, ein Gerät, mit dem die Universitäten sonst Blitze demonstrieren, das bisher jedoch keine praktische Anwendung hatte (da man die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die sich mit dem Namen Nikola Tesla verbinden, nach dessen Tod erfolgreich hat verschwinden lassen).

Als das Team Kohlenstoff-Nanoröhrchen in das elektromagnetische Feld des Transformators gibt, bilden sich aus kleinen Mengen der Nanoröhrchen plötzlich spinnwebartige Gebilde. Daß sich selbst große Moleküle wie Proteine in elektrischen Feldern ausrichten, ist nicht neu. Überraschend ist jedoch, daß sich ganze Strukturen über große Distanzen von bis zu 15 cm hinweg bilden können.

Grund für die Selbstorganisation der Partikel sind elektrische Ladungen, die durch das elektrische Feld in jedem Nanoröhrchen entstehen. Jenes Ende eines Nanoröhrchens, das dadurch positiv geladen wird, zieht dann das negativ geladene Ende eines anderen Nanoröhrchens an.

Ein weiteres Ergebnis der Rice-Forschungsgruppe zeigt, daß die Kohlenstoff-Nanoröhren wie Antennen die Energie des elektrischen Felds des Transformators aufnehmen. Wenn sie dann zu langen Drähten zusammenwachsen, können sie sogar zwei kleine LEDs miteinander verbinden und zum Leuchten bringen. Genau dafür hatte Nikola Tesla übrigens seinen Tesla-Transformator einst erdacht: zur drahtlosen Stromübertragung. Ein Thema, das in einem eigenen Kapitelteil noch ausführlich behandelt werden soll (in Arbeit).

 

Und während noch nicht absehbar ist, welche Umwälzungen das neue ,Energie-Ernten’ mit sich bringen wird, kann das Potential des riesigen Reservoirs der geothermischen Energie, der wir uns als nächstes widmen, schon ziemlich gut abgeschätzt werden.

 

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