Graphen-Energieharvester versorgt Funksensoren aus Magnetfeld-Leckagen
Forschende der University of Arkansas und der University of Michigan haben einen batterielosen Sensor gebaut, der mit elektromagnetischer Strahlung von Stromleitungen läuft.
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Ein Forschungsteam unter der Leitung des Physikers Paul Thibado hat einen batterielosen Temperatursensor entwickelt, der seinen Betriebsstrom aus den elektromagnetischen Feldern rund um Wechselstromleitungen bezieht. Die Erfindung, entstanden an der University of Arkansas und der University of Michigan, kombiniert einen Graphen-Induktor mit stromsparender Elektronik, sodass sie ohne kabelgebundene Stromversorgung und ohne chemische Batterien auskommt. Industrieanlagen bietet sie damit eine wartungsfreie Option zur Überwachung von Maschinen, ohne erschöpfte Zellen austauschen zu müssen.
Energie aus magnetischen 60-Hz-Wechselfeldern gewinnen
Strom, der durch handelsübliche Stromleitungen fließt, erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld. In den Vereinigten Staaten schwingt Wechselstrom mit 60 Hz und erzeugt damit ein sich änderndes Feld, das kontinuierlich in die Umgebung abstrahlt. Um diese verteilte Energie zu nutzen, fertigte das Team einen Induktor aus Graphen und setzte einen Stahlkern ein, um die Aufnahme des magnetischen Flusses zu verstärken, wie New Atlas berichtet. Neben einem stromführenden Kabel erzeugt das Bauteil durch elektromagnetische Induktion eine Wechselspannung – nach dem Grundprinzip herkömmlicher Transformatoren.
„Der Induktor lädt diese Kondensatoren langsam auf, aber schneller, als der Sensor die Ladung aus den Kondensatoren verbraucht.“
— Prof. Paul Thibado, Erfinder des Graphen-Energieharvesters, University of Arkansas
Spannungsvervielfachung und kapazitive Speicherung
Da das Rohsignal Wechselstrom bei einer für konventionelle Elektronik viel zu schwachen Spannung liefert, entwarfen die Forschenden eine Wandlerschaltung auf Basis eines Cockcroft-Walton-Spannungsvervielfachers. Die Schaltung wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um und setzt die Spannung auf Betriebsniveau hoch. Für die Energiespeicherung setzt das System auf drei Kondensatoren statt auf einen Akku. Der Erfinder des Graphen-Energieharvesters, Paul Thibado, und seine Kollegen legten den eigens gefertigten Temperatursensor auf den Nanowatt-Bereich aus: Er verbraucht Milliardstel eines Watts, also rund 30 Millionen Mal weniger Leistung als ein einzelner kabelloser Ohrhörer, wie New Atlas berichtet.
Dauerbetrieb und derzeitige Einschränkungen
Der Graphen-Induktor sammelt Strom langsam, doch seine Aufnahme übersteigt den Verbrauch des Sensors. Überschüssige Elektrizität verbleibt in den Kondensatoren und hält die Temperatursonde mindestens 24 Stunden lang in Betrieb – möglicherweise bis zu einer Woche –, wenn der Leitungsstrom vollständig ausfällt. Das Forschungsteam, zu dem Syed Maksudur Rahman, Tamzeed Bani Amin, Ashaduzzaman, MD Rezaul Kabir und Jim Mangum gehören, demonstrierte den Aufbau unter Laborbedingungen. Allerdings kann das System abseits aktiver Wechselstromleitungen nicht funktionieren, und der Prototyp benötigte vorgeladene Kondensatoren und eine vorprogrammierte Verarbeitung, um den Betrieb aufzunehmen, was seinen derzeitigen Einsatz auf spezialisierte Monitore mit geringem Leistungsbedarf beschränkt, wie New Atlas ausführt.
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