Da er keine Batterie benötigt, die aufgeladen oder ausgetauscht werden muss, und weil er keine spezielle Verkabelung benötigt, könnte ein solcher, neu entwickelter Sensor an schwer zugänglichen Stellen eingebaut werden, zum Beispiel im Inneren eines Schiffsmotors. Dort könnte er automatisch Daten über den Stromverbrauch und den Betrieb der Maschine über lange Zeiträume hinweg sammeln.
Erstes Modell: Temperatursensor
Die Forscher haben einen Temperatursensor gebaut, der die Energie aus dem Magnetfeld gewinnt, das in der freien Luft um einen Draht herum erzeugt wird. Man könnte den Sensor einfach um einen stromführenden Draht klemmen - beispielsweise den Draht, der einen Motor antreibt – und er würde automatisch Energie sammeln und speichern, die er zur Überwachung der Motortemperatur verwendet.
„Das ist Umgebungsenergie – Energie, für die ich keine spezielle, gelötete Verbindung herstellen muss. Dadurch ist dieser Sensor sehr einfach zu installieren“, sagt Steve Leeb, Emanuel E. Landsman Professor für Elektrotechnik und Informatik (EECS) und Professor für Maschinenbau, Mitglied des Forschungslabors für Elektronik und Hauptautor eines Artikels über den energiespeichernden Sensor.
In dem Artikel bieten die Forscher einen Design-Leitfaden für einen energiesammelnden Sensor an, der es Ingenieuren ermöglicht, die verfügbare Energie in der Umgebung mit ihren Erfassungsanforderungen in Einklang zu bringen.
Der Artikel enthält einen Fahrplan für die Schlüsselkomponenten eines Geräts, das den Energiefluss während des Betriebs kontinuierlich messen und steuern kann.
Der vielseitige Entwurfsrahmen ist nicht auf Sensoren beschränkt, die die Energie von Magnetfeldern nutzen, sondern kann auch auf Sensoren angewendet werden, die andere Energiequellen wie Vibrationen oder Sonnenlicht verwenden. Auf diese Weise könnten Sensornetzwerke für Fabriken, Lagerhäuser und Geschäftsräume aufgebaut werden, die weniger Kosten für Installation und Wartung verursachen.
„Wir haben ein Beispiel für einen batterielosen Sensor geliefert, der etwas Nützliches tut, und gezeigt, dass dies eine praktisch realisierbare Lösung ist. Jetzt werden andere hoffentlich unseren Rahmen nutzen, um ihre eigenen Sensoren zu entwerfen“, sagt der Hauptautor Daniel Monagle, ein EECS-Diplomstudent. Monagle und Leeb werden von dem EECS-Absolventen Eric Ponce bei der Arbeit unterstützt.
John Donnal, ein außerordentlicher Professor für Waffen- und Steuerungstechnik an der U.S. Naval Academy, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war, untersucht Techniken zur Überwachung von Schiffssystemen. Der Zugang zu Strom auf einem Schiff kann schwierig sein, sagt er, denn es gibt nur wenige Steckdosen und strenge Beschränkungen für die Geräte, die angeschlossen werden dürfen.
„Die kontinuierliche Messung der Vibrationen einer Pumpe beispielsweise könnte der Besatzung Echtzeitinformationen über den Zustand der Lager und Halterungen liefern, aber die Stromversorgung eines nachgerüsteten Sensors erfordert oft so viel zusätzliche Infrastruktur, dass sich die Investition nicht lohnt“, fügt Donnal hinzu. „Energiegewinnungssysteme wie dieses könnten es ermöglichen, eine Vielzahl von Diagnosesensoren auf Schiffen nachzurüsten und die Gesamtkosten für die Wartung erheblich zu senken.
Kondensator ersetzt Batterie
Die Forscher mussten drei wichtige Herausforderungen meistern, um einen effektiven, batterielosen Sensor zu entwickeln, der Energie sammelt: Erstens muss das System kalt starten können, das heißt, es kann seine Elektronik ohne Anfangsspannung in Gang setzen. Dies gelang ihnen mit einem Netzwerk aus integrierten Schaltkreisen und Transistoren, die es dem System ermöglichen, Energie zu speichern, bis es einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Das System schaltet sich erst dann ein, wenn es genügend Energie für den vollen Betrieb gespeichert hat.
Zweitens muss das System die gewonnene Energie effizient speichern und umwandeln, und zwar ohne Batterie. Die Forscher hätten zwar eine Batterie einbauen können, aber das würde das System noch komplexer machen und könnte ein Brandrisiko darstellen.
„Man kann sich nicht einmal den Luxus leisten, einen Techniker zu schicken, um eine Batterie zu ersetzen. Stattdessen ist unser System wartungsfrei. Es erntet Energie und arbeitet selbst“, fügt Monagle hinzu.
Um den Einsatz einer Batterie zu vermeiden, verfügen sie über einen internen Energiespeicher, der aus einer Reihe von Kondensatoren bestehen kann. Einfacher als eine Batterie speichert ein Kondensator Energie im elektrischen Feld zwischen leitenden Platten. Kondensatoren können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, und ihre Fähigkeiten lassen sich auf eine Reihe von Betriebsbedingungen, Sicherheitsanforderungen und den verfügbaren Platz abstimmen.
Das Team hat die Kondensatoren sorgfältig so konzipiert, dass sie groß genug sind, um die Energie zu speichern, die das Gerät zum Einschalten und zur Energiegewinnung benötigt, aber klein genug, damit die Aufladephase nicht zu lange dauert.
Da es außerdem Wochen oder sogar Monate dauern kann, bis sich ein Sensor einschaltet, um eine Messung durchzuführen, wurde sichergestellt, dass die Kondensatoren genügend Energie speichern können, selbst wenn im Laufe der Zeit etwas davon verloren geht.
Schließlich entwickelten sie eine Reihe von Steuerungsalgorithmen, die die vom Gerät gesammelte, gespeicherte und verwendete Energie dynamisch messen und budgetieren. Ein Mikrocontroller, das „Gehirn" der Energieverwaltungsschnittstelle, prüft ständig, wie viel Energie gespeichert ist, und leitet daraus ab, ob der Sensor ein- oder ausgeschaltet, eine Messung durchgeführt oder der Harvester in einen höheren Gang geschaltet werden soll, damit er mehr Energie für komplexere Erfassungsanforderungen sammeln kann.
„Wie bei einem Fahrrad, bei dem man den Gang wechselt, prüft die Energieverwaltungsschnittstelle, wie sich die Erntemaschine verhält, das heißt, ob sie zu stark oder zu schwach in die Pedale tritt, und variiert dann die elektronische Last, um die Energiegewinnung zu maximieren und die Energiegewinnung an die Bedürfnisse des Sensors anzupassen“, erklärt Monagle.
Sensor sammelt Magnetfeldenergie
Mithilfe dieses Entwurfsrahmens haben sie eine Energiemanagementschaltung für einen handelsüblichen Temperatursensor entwickelt. Das Gerät sammelt Magnetfeldenergie und nutzt sie, um kontinuierlich Temperaturdaten zu erfassen, die es über Bluetooth an eine Smartphone-Schnittstelle sendet.
Die Forscher verwendeten für die Entwicklung des Geräts Schaltkreise mit extrem niedrigem Stromverbrauch, stellten aber schnell fest, dass diese Schaltkreise nur eine begrenzte Spannung vertragen, bevor sie zusammenbrechen. Würde man zu viel Strom abnehmen, könnte das Gerät explodieren.
Um dies zu vermeiden, passt das Betriebssystem ihres Energy Harvesters im Mikrocontroller die Energiegewinnung automatisch an oder reduziert sie, wenn die gespeicherte Energiemenge zu groß wird.
Sie fanden auch heraus, dass die Kommunikation – die Übertragung der vom Temperatursensor gesammelten Daten – bei weitem der stromhungrigste Vorgang war. „Die Sicherstellung, dass der Sensor über genügend gespeicherte Energie verfügt, um Daten zu übertragen, ist eine ständige Herausforderung, die ein sorgfältiges Design erfordert“, sagt Monagle.
Für die Zukunft planen die Forscher, weniger energieintensive Methoden zur Datenübertragung zu erforschen, wie zum Beispiel die Verwendung von Optik oder Akustik. Außerdem wollen sie genauer modellieren und vorhersagen, wie viel Energie einem System zugeführt wird oder wie viel Energie ein Sensor für Messungen benötigt, damit ein Gerät effektiv noch mehr Daten sammeln kann.
„Wenn man nur die Messungen vornimmt, die man für notwendig hält, entgeht einem vielleicht etwas wirklich Wertvolles. Mit mehr Informationen können Sie vielleicht etwas über die Funktionsweise eines Geräts erfahren, das Sie nicht erwartet haben. Mit unserem Rahmenwerk können Sie diese Überlegungen abwägen“, sagt Leeb.
„Dieses Papier ist gut dokumentiert, was ein praktischer energieautarker Sensorknoten für realistische Szenarien beinhalten sollte. Die allgemeinen Entwurfsrichtlinien, insbesondere zur Frage des Kaltstarts, sind sehr hilfreich“, sagt Jinyeong Moon, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik am Florida A&M University-Florida State University College of Engineering, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Ingenieure, die ein selbstversorgendes Modul für einen drahtlosen Sensorknoten entwerfen wollen, werden von diesen Richtlinien sehr profitieren, da sie die traditionell mühsamen Checklisten für den Kaltstart leicht abhaken können.“ Die Arbeit wird zum Teil vom Office of Naval Research und der Grainger Foundation unterstützt.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
