Neuartige Sensoren reagieren auf Schall und kommen ohne Batterien aus
Forschende der ETH Zürich haben schallbetriebene Sensoren entwickelt, die Millionen von Batterien überflüssig machen könnten. Sie lassen sich zur Überwachung von Bauten, Erdbeben oder bestimmten medizinischen Geräte verwenden.
Der Prototyp des Schallsensors ist noch recht groß.
Foto: Astrid Robertsson / ETH Zürich
Zur Überwachung von Infrastrukturen wie Brücken und für den Einsatz in medizinischen Geräten, zum Beispiel in Gehörprothesen, werden Sensoren benötigt, die kontinuierlich mit Strom versorgt werden müssen. Diese Energie wird normalerweise durch Batterien bereitgestellt, was zu einem erheblichen Abfallproblem führt. Denn diese Batterien leben nicht ewig. Eine Studie der Europäischen Union prognostiziert, dass bis 2025 täglich etwa 78 Millionen Batterien entsorgt werden.
Eine mögliche Lösung bietet ein neuartiger mechanischer Sensor, entwickelt von einem Forscherteam unter der Leitung von Marc Serra-Garcia und Johan Robertsson, einem Professor für Geophysik an der ETH Zürich. Die Erfindung ist bereits zum Patent angemeldet. Das dahinterliegende Prinzip wurde kürzlich in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ vorgestellt.
Sensor funktioniert nur bei bestimmten Schallwellen
„Der Sensor funktioniert rein mechanisch und braucht keine externe Energiequelle. Er nutzt lediglich die Schwingungsenergie, die in Schallwellen enthalten ist“, sagt Johan Robertsson. Das funktioniert allerdings nur bei bestimmten Schallwellen. Beim Aussprechen bestimmter Wörter oder bei bestimmten Geräuschen bringen die resultierenden Schallwellen einen Sensor zum Schwingen. Diese Bewegung erzeugt genügend Energie, um einen kleinen elektrischen Impuls zu erzeugen, der ein ausgeschaltetes elektronisches Gerät aktiviert.
Das Forschungsteam in Robertssons Labor im Innovationspark Dübendorf hat einen patentierten Prototyp entwickelt. Dieser kann zwischen den Wörtern „three“ und „four“ unterscheiden. „Four“ erzeugt mehr Schallenergie und bringt den Sensor zum Schwingen, während „three“ keine solche Resonanz auslöst. Dadurch kann das Wort „four“ ein Gerät einschalten oder andere Prozesse auslösen, während bei „three“ nichts passiert.
Neuere Varianten dieses Sensors sollen bis zu zwölf verschiedene Wörter erkennen, darunter Standardbefehle wie „on“, „off“, „up“ und „down“. Sie sind erheblich kleiner als der Prototyp, etwa daumennagelgroß, und es wird an einer weiteren Verkleinerung gearbeitet.
Sensor kommt ohne problematische Substanzen aus
Der Sensor basiert auf einem Metamaterial, bei dem nicht das Material selbst, sondern dessen Struktur für seine besonderen Eigenschaften verantwortlich ist. Laut Serra-Garcia besteht der Sensor ausschließlich aus Silikon und enthält im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Sensoren keine giftigen Schwermetalle oder seltene Erden.
Er ist aus vielen ähnlich strukturierten Plättchen zusammengesetzt, die über feine Stege verbunden sind. Diese Stege fungieren wie Federn. Das besondere Design der mikrostrukturierten Plättchen und deren Verknüpfung wurde vom Forschungsteam durch Computermodelle und Algorithmen entwickelt. Diese federnden Verbindungen sind laut Team auch entscheidend dafür, ob der Sensor durch bestimmte Schallquellen aktiviert werden kann oder nicht.
Wofür lässt sich der Sensor nutzen?
Die batterielosen Sensoren eignen sich für Anwendungen wie die Überwachung von Erdbeben oder Gebäuden. Sie sind in der Lage, Veränderungen wie Risse in Gebäuden zu erkennen, die spezifische Schall- oder Wellenenergie freisetzen.
Laut Forschungsteam eignen sich die Sensoren auch für das Monitoring stillgelegter Ölbohrungen. Sie können das charakteristische Zischen von Gas, das aus undichten Bohrstellen austritt, erfassen. Durch die Erkennung dieses Geräuschs können sie ohne ständigen Stromverbrauch Alarm auslösen. Dies reduziert Wartungskosten und Aufwand bei der Instandhaltung der Anlagen.
Auch für medizinische Geräte geeignet
Serra-Garcia erkennt auch Potenzial für den Einsatz in medizinischen Geräten, zum Beispiel in Cochlea-Implantaten für Gehörlose. Diese Hörimplantate benötigen kontinuierlich Energie für die Signalverarbeitung, die normalerweise von Batterien hinter dem Ohr geliefert wird – ein Bereich, der zu klein für große Batteriepakete ist. Daher müssen Nutzer die Batterien alle zwölf Stunden wechseln. Ebenso könnten solche Sensoren zur fortlaufenden Messung des Augeninnendrucks eingesetzt werden, denn für Sensoren mit Batterie ist im Auge zu wenig Platz, erklärt der Forscher.
Serra-Garcia weist darauf hin, dass auch die Industrie großes Interesse an energieautarken Sensoren zeigt. Er hat seine Arbeit an der ETH verlassen und entwickelt nun mit seinem Team am Forschungszentrum Amolf in den Niederlanden die mechanischen Sensoren weiter. Das Ziel ist, bis 2027 einen funktionierenden Prototypen zu entwickeln. Serra-Garcia fügt hinzu: „Haben wir bis dahin keinen Interessenten gefunden, gründen wir vielleicht unser eigenes Start-up.“
MIT arbeitet ebenfalls an batterielosem Sensor
Batterielose Sensoren sind keine ganz neue Erfindung, wenngleich an der ETH Zürich der Impuls erstmals durch Schall ausgelöst wurde. Zum Beispiel hat vor einigen Tagen das Massachusetts Institute of Technology (MIT) ebenfalls einen selbstversorgten, batterielosen Sensor vorgestellt. Dieser kann Energie aus seiner Umgebung gewinnen.
Da er keine Batterie benötigt, die aufgeladen oder ausgetauscht werden muss, und weil er keine spezielle Verkabelung benötigt, könnte ein solcher Sensor laut Forschungsteam an einer schwer zugänglichen Stelle eingebaut werden, beispielsweise im Inneren eines Schiffsmotors. Dort könnte er automatisch Daten über den Stromverbrauch und den Betrieb der Maschine über lange Zeiträume hinweg sammeln.
Und sorgt funktioniert der Sensor: Das Forschungsteam hat einen Temperatursensor gebaut, der die Energie aus einem 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. „Advanced Functional Materials“.
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