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Fraunhofer-Forscher wollen das Energieproblem vernetzter Sensoren lösen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit dem Einsatz von energieeffizienten und modularen Modulen soll im Rahmen eines Fraunhofer-Leitprojektes der Grundstein für ein flächendeckendes Internet der Dinge gelegt werden. Der Energie kommt eine wichtige Rolle zuteil.

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Leistungsverstärker in Funkknoten für eine zielgenaue Datenübertragung für 5G. Fraunhofer-Forscher arbeiten an energieeffizienten Sensorknoten für das IoT.
Leistungsverstärker in Funkknoten für eine zielgenaue Datenübertragung für 5G. Fraunhofer-Forscher arbeiten an energieeffizienten Sensorknoten für das IoT.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Mit einem wachsenden Internet der Dinge (IoT) und den damit verbundenen vernetzten Knoten, um Daten zu sammeln, auszuwerten und in einem Netzwerk zusammenzuführen, ist eines notwendig: Energie. Im Jahr 2013 entsprach der Energiebedarf von allen vernetzten Geräten weltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland.

Innerhalb der nächsten Jahre wird sich dieser Bedarf sogar auf 1140 Terawatt pro Jahr nahezu verdoppeln, wobei das vernetzte IoT einen erheblichen Anteil an diesem Wachstum haben wird. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Sensoren energieeffizienter werden. Bisher haben Industrie und Forschung dazu keine umfassende Antwort: Für jede Anwendung wird eine einzelne IoT-Hardware entwickelt, die dann mehr oder weniger energieeffizient ist.

Sensorknoten, die wenig Energie benötigen

Die Fraunhofer-Gesellschaft will das ändern: In ihrem Leitprojekt „Towards Zero Power Electronics“ (ZEPOWEL) soll eine Hardware entwickelt werden, die einerseits ganzheitlich und andererseits extrem energieeffizient ist. In einem nächsten Schritt könnten vernetzte Sensoren sogar komplett energieautark arbeiten.

Fraunhofer setzt hier an zwei Hebeln an: Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen wird eine Energieeinsparung auf Systemniveau realisiert. Das heißt, auch die Kommunikation mit anderen Systemen wird energiesparender. „Wir wollen die technologische Plattform für eine flächendeckende IoT-Anwendung schaffen“, erklärt hierzu Erik Jung, Projektmitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM.

Nicht ständig Daten senden

Insgesamt will sich die Fraunhofer-Gesellschaft auf vier Aufgaben konzentrieren. Im Fokus steht die robuste und sichere Kommunikation. Beispielsweise soll ein sogenannter WakeUp-Receiver, der wenig Energie benötigt, dafür sorgen, dass die Sensorknoten nicht permanent Daten senden. Vielmehr soll erst ein bestimmter Sollwert erreicht oder eine authentisierte Anfrage von außen den Receiver aktivieren.

Ein weiteres Arbeitsfeld ist die genaue Messung bei niedrigem Energieaufwand. Aktuelle Sensoren liefern bei einer Leistung von 1250 µW/s 5000 Messergebnisse. Ein neuentwickelter Sensor soll bei einer Leistung von weniger als 10 µW doppelt so viele Messergebnisse pro Sekunde liefern. Konkret geht es um einen Luftgütesensor, der mit einer Mikropumpe gekoppelt ist. Dabei dient die Pumpe als Messverstärker, indem sie die zugeführte Luftmenge stark vergrößert.

Umgebungsenergie ernten

Als dritter Punkt sollen Sensoren sich leichter mit Strom selber versorgen können. Deshalb soll ein Breitband-Harvester entwickelt werden, eine Art Erntemaschine für die Umgebungsenergie. Seine Effizienz vervierfacht sich im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik: Um 100 µW an Leistung aus seiner Umgebung zu ernten, braucht er nur noch ein Viertel der Fläche: 5 mm x 5 mm. Die so geerntete Energie wird in einer neu entwickelten Dünnschichtbatterie gespeichert, die direkt auf dem Hardware-Chip integriert ist. Dieser voll integrierte Ansatz von Batterie, Harvester und Energiewandler ist weltweit einzigartig.

Abgerundet wird die Forschung von einer Art modularen Baukasten für jede Anwendung: ganz nach dem Prinzip Plug and Play. Es ist ein Stecksystem wie mit Legobausteinen. Die entwickelte Plattform setzt sich aus Einzelinnovationen der Institute zusammen, die beliebig kombinierbar sind.

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