Fortgeschrittene Energiegewinnungslösungen für Internet-der-Dinge-Batterieprobleme
Die vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) baut auf der Grundlage des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) auf und verbindet Milliarden Geräte über Mobilfunknetze mit beispielloser Verarbeitungsleistung, Speicherkapazität und unmittelbarem Zugang zu Informationen. Industrie 4.0 verändert die Industrie in allen Bereichen und treibt Einrichtungen und Unternehmen dazu an, ihre Abläufe neu zu organisieren und zu optimieren, wobei es gilt, bahnbrechende Technologien wie künstliche Intelligenz, drahtlose Kommunikation und Quanteninformationsverarbeitung zu nutzen.
Haupthemmnisse: Energieeffizienz und Autonomie
Bei der Einbindung dieser Technologien in das tägliche Leben gibt es jedoch Herausforderungen zu meistern. Eine entscheidende Hürde stellt der Bedarf an zuverlässigen Energielösungen zum Betrieb dieser Systeme dar. Verschiedene Anwendungen wie die Überwachung in der Medizin und die Umweltüberwachung, die Industrieautomatisierung, drahtlose Sensornetzwerke, der intelligente Verkehr und die Infrastrukturüberwachung sind zunehmend auf miniaturisierte Vorrichtungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch angewiesen. Geräte wie diese setzen neue Maßstäbe in Sachen Energieeffizienz und Autonomie. Konventionelle Batterien werden diesen Anforderungen oft nicht gerecht, was insbesondere bei Vorrichtungen gilt, die eine längere Energieunabhängigkeit erfordern. Daraus erwuchs der dringende Bedarf an innovativen Energielösungen, wobei die Energiegewinnung eine vielversprechende Alternative darstellt.
Fortgeschrittene Lösungen für Energieprobleme
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NANO-EH wurde mithilfe der Nutzung intelligenter Nanomaterialien und innovativer Nanostrukturen mit Erfolg eine Energiegewinnungsplattform für mehrere Quellen entwickelt. Im Zuge der Projektarbeit wurden modernste Forschungsergebnisse in technische Lösungen umgesetzt, die effiziente und skalierbare Fertigungsprozesse zulassen. Das Team von NANO-EH nutzte vier Klassen intelligenter Nanomaterialien, die frei von Blei und Seltenerdmetallen sind. Das Projektteam hat außerdem vorgeführt, dass diese Materialien auf Modulebene recycelbar sind. „Als eine bemerkenswerte Errungenschaft gilt der Konzeptnachweis für drahtlose Energiegewinnungsvorrichtungen, bei denen Oxidferroelektrika im Nanomaßstab genutzt werden, die innerhalb eines breiten Spektrums gängiger drahtloser Kommunikationsfrequenzen arbeiten“, erklärt Projektkoordinator Mircea Gabriel Modreanu. Dazu zählen die Frequenzen 2,45 GHz, 24-27 GHz und 60 GHz. Die Forschenden haben außerdem den pyroelektrischen Effekt – eine Eigenschaft, dank der bestimmten Materialien als Reaktion auf Temperaturänderungen eine elektrische Ladung erzeugen können –, zur Energiegewinnung ausgenutzt, sodass dieselben Materialien diese gewonnene Energie in Superkondensatoren speichern können. Das bedeutet, dass diese Materialien auf effiziente Weise Energiegewinnung und -speicherung zu einem nahtlosen System verbinden können.
Energiegewinnungssysteme: adaptiv und aus mehreren Quellen
Mit der Projektarbeit wurden auch die Möglichkeiten der technologischen Plattform durch Integration verschiedener Energielösungen wie etwa kugelförmiger Solarzellen, kostengünstiger Solarzellen auf MoO3-Basis, piezoelektrischer Energiegewinnungsmaschinen und umweltfreundlicher, leistungsstarker elektrochemischer Solarzellen erweitert. Das System von NANO-EH passt sich den Umgebungsbedingungen an und sorgt auf diese Weise für eine effiziente und nachhaltige Energienutzung. „Wir haben einen bahnbrechenden Ansatz zur bedarfsorientierten Energiegewinnung entwickelt, der die Auswahl der am besten geeigneten Energiequelle oder einer Kombination aus Quellen auf der Grundlage der in der Umgebung verfügbaren Energiequellen gestattet“, sagt Modreanu.
Eine nachhaltige IoT-Energielösung
Die Nachfrage nach batterielosen Geräten mit extrem niedrigem Stromverbrauch steigt in verschiedenen Bereichen rapide an. Das Projekt NANO-EH trägt dazu bei, die fragmentierte Landschaft auf dem IoT-Energieversorgungsmarkt zu überwinden, wobei eine mit Silizium-Planar-Technologien kompatible Plattform einführt wird, welche die Integration in vorhandene Systeme gewährleistet. Modreanu schließt mit den Auswirkungen, welche die Arbeit von NANO-EH haben wird: „Angesichts von 35 Milliarden IoT-Geräten, die bis 2035 eingesetzt werden sollen, wird der Bedarf an zuverlässigen, nachhaltigen Energieversorgungsmodulen exponentiell steigen. Mit seiner kostengünstigen, problemlos einsetzbaren Technologieplattform bereitet NANO-EH innovativen Energielösungen den Weg, die diese rasche Expansion unterstützen.“
Schlüsselbegriffe
NANO-EH, Energiegewinnung, IoT, Internet der Dinge, intelligente Nanomaterialien, vierte industrielle Revolution, Industrie 4.0, Superkondensatoren
