Sensorik Null-Energie-Sensoren sparen Millionen von Batterien

Schweizer Forscher entwickeln einen neuartigen Sensor, der auf bestimmte Schallwellen reagiert und dadurch in Schwingung versetzt wird.

Der Sensor, den Schweizer Wissenschaftler an der ETH Zürich entwickeln, ist ein Metamaterial, das seine speziellen Eigenschaften durch die Strukturierung des Materials erlangt. Passive, schallempfindliche Sensoren könnten nach Ansicht der Experten zur Überwachung von Bauten, Erdbebenvorhersage oder in gewissen medizinischen Geräten eingesetzt werden, was einen nicht zu übersehenden Vorteil hätte.

Denn übliche Sensoren, die für die oben genannten Anwendungen genutzt werden, brauchen eigentlich permanent Strom. Die Energie dafür stammt in der Regel aus Batterien, die aber ausgetauscht werden müssen, sobald sie zu wenig Spannung haben. Das schafft gleichzeitig ein gewaltiges Abfallproblem. Eine EU-​Studie geht nämlich davon aus, dass bereits im Jahr 2025 täglich 78 Millionen Batterien im Müll landen werden. Abhilfe schaffen könnte nun ein neuartiger mechanischer Sensor, der bereits zum Patent angemeldet ist. Das Prinzip wurde nun in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials vorgestellt.

Wenn Schall Sensoren schwingen lässt

Der Sensor, wird betont, funktioniert rein mechanisch und braucht deshalb keine externe Energiequelle. Er nutze lediglich die Schwingungsenergie, die in Schallwellen enthalten seien. Spricht man also ein bestimmtes Wort, oder erklingt ein Ton oder ein Geräusch, versetzen die davon ausgehenden Schallwellen – und nur diese – den neuartigen Sensor in Schwingung. Diese Energie reiche dann aus, um einen winzigen elektrischen Impuls zu generieren, der ein ausgeschaltetes elektronisches Gerät anschalten könne. Der Prototyp, den die Forscher im Labor im Innovationspark Dübendorf entwickelt haben, ist bereits patentiert. Er kann zwischen den gesprochenen Wörtern „three“ und „four“ unterscheiden. Letzteres hat mehr Schallenergie als das erstere, merken die Spezialisten an. Also die Vier versetzt den Sensor in Resonanzschwingungen. Dadurch beginnt der Sensor zu vibrieren. Das Wort drei hingegen erzeugt keine Resonanz im Sensor. Mit four könne also ein Gerät angeschaltet oder weitere Prozesse ausgelöst werden. Bei drei geschehe nichts.

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Aktuelle Sensoren reagieren auf ein Dutzend Wörter

Neuere Varianten des Sensors sollen bis zu zwölf verschiedene Wörter unterscheiden können, wie etwa die Standardmaschinenbefehle „on“, „off“, „up“ oder „down“. Zudem sind sie viel kleiner als der Prototyp, der noch handtellergross war (Bild). Die Neuen sind von ihren Dimensionen nur noch mit einem Daumennagel vergleichbar, was aber nicht die letzte Verkleinerung bedeutet, wie es weiter heißt. Wie oben bereits erwähnt, ist der Sensor ein sogenanntes Metamaterial. Nicht das verwendete Material sorge aber für seine speziellen Eigenschaften, sondern seine Struktur. Der Sensor besteht dabei nur aus Silikon und enthält weder giftige Schwermetalle noch irgendwelche seltenen Erden, wie herkömmliche elektronische Sensoren, unterstreichen die Forscher. Aufgebaut ist der Sensor aus Dutzenden von gleich oder ähnlich strukturierten Plättchen, die über winzige Stege miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsstege wirken wie Federn. Das spezielle Design dieser mikrostrukturierten Plättchen – und wie sie miteinander verbunden sind – entwickelten die Forscher mithilfe von Computermodellen und Algorithmen. Die Federn seien auch entscheidend, ob eine bestimmte Schallquelle den Sensor in Gang setzt oder nicht.

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Schallempfindliche Sensoren stoßen auf industrielles Interesse

Außer den oben genannten Anwendungsbereichen, seien diese Null-Energie-Sensoren auch für die Industrie sehr attraktiv, wie es weiter heißt. Deshalb arbeitet man mittlerweile nicht mehr an der ETH, sondern entwickelt zusammen mit seinem Team am öffentlichen Forschungszentrum Amolf in den Niederlanden die mechanischen Sensoren laufend weiter. Das Ziel ist, bis 2027 einen soliden Prototyp an den Start zu bringen. Sollte sich bis dahin kein Interessent gefunden haben, steht der Gründung eines entsprechenden Start-ups im Zweifelsfall auch nichts entgegen.

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