Eigenes Kraftwerk: Sensornetze laufen mit Mini-Solarzellen
Vom Brandschutz bis zum intelligenten Gebäudemanagement sind drahtlose Sensornetze auf dem Vormarsch. Doch ein Knackpunkt ist die Stromversorgung. Winzige Solarzellen auf dem Sensormodul machen die Mini-Computer jetzt erstmals zu eigenen kleinen Kraftwerken.
Mit Hilfe einer speziellen Prozesstechnologie ist es Forschern erstmals gelungen, Mini-Solarzellen direkt auf den hochempfindlichen Silizium-Chips von Sensor-Modulen aufzubringen. Sie werden dadurch zu ihren eigenen Kraftwerken und sind von externen Stromquellen unabhängig – eine wesentliche Bedingung für den zukünftigen Einsatz in der Landwirtschaft.
Foto: Fraunhofer IMS
Bei der Steuerung und Überwachung von Industrieanlagen, in der Messwerterfassung, dem Brandschutz oder der Gebäudeautomation kommen klassischerweise fest verbaute und verkabelte Sensoren zum Einsatz. Da der Installations- und Wartungsaufwand aber sehr hoch ist, übernehmen immer öfter drahtlose Sensornetze die Aufgabe, Messdaten aus der Umgebung an einen Zentralrechner zu übermitteln. Diese bestehen aus sogenannten Sensorknoten, kleinen Mini-Computern, die selbstständig Informationen aus der physikalischen Umwelt messen und per Funk weiterleiten. Doch es gibt einen Knackpunkt: die Stromversorgung. Denn besonders bei großen Netzen ist ein Batteriebetrieb zu unwirtschaftlich.
Sensorknoten laufen erstmals mit Sonnenkraft
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben jetzt gemeinsam mit dem Unternehmen Solchip Ltd. eine Alternative entwickelt, um Sensorknoten mit Sonnenkraft zu betreiben. „Wir bringen mittels spezieller Prozessschritte eine Mini-Solarzelle direkt auf den Silizium-Chip eines Sensormoduls auf“, erklärt Projektleiter Dr. Andreas Goehlich. Die Sensormodule werden dadurch zu ihren eigenen kleinen Kraftwerken und somit unabhängig von externen Stromquellen.
Besondere Herausforderung sei es gewesen, das Gehirn des Sensorknotens nicht zu beschädigen, die anwendungsspezifischen mikroelektronischen Schaltkreise auf dem Silizium-Chip (ASICS). „Die Strukturen von ASICS sind sehr empfindlich, das macht die nachfolgende Bearbeitung so heikel“, sagt Goehlich. „Wir nutzen daher eine speziell entwickelte, sanfte Prozesstechnologie, die sich bereits bei unterschiedlichsten ASICS bewährt hat.“
Auf dem Gebiet des Energy Harvesting reiht sich der Durchbruch in weitere Lösungen ein, kleine Mengen Strom aus Ressourcen der unmittelbaren Umgebung zu gewinnen: etwa mit Wärme-Gradienten oder Vibrationen. Goehlich sieht bei den Mini-Solarzellen allerdings einige Vorteile: „Licht steht über eine lange Zeitspanne nahezu konstant zur Verfügung und unterliegt auch nicht so starken Schwankungen wie dies bei anderen Ressourcen oft der Fall ist.“ Ein zusätzlicher Pluspunkt: Sonnenenergie lässt sich verhältnismäßig leicht in Strom umwandeln.
Derzeit im Fokus: Anwendung in der Landwirtschaft
Zukünftig könnten Landwirte drahtlose, energieautarke Sensornetzwerke großflächig auf Anbauflächen verteilen. Die Sensorknoten messen Bodenfeuchtigkeit sowie Sonneneinstrahlung und senden die Daten an eine zentrale Schnittstelle. Landwirte können dann beispielsweise die Bewässerung anpassen oder sogar den zu erwartenden Erntebetrag ableiten. Laut Fraunhofer-Institut ist die Technologie bereits einsatzbereit. Der israelische Sensorspezialist Solchip Ltd. kümmere sich derzeit um die Vermarktung.
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