TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

PiezoelektrizitÄt (II)

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 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 und 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 anders 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 einer 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 späten 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.

 

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