Forschung -

Energy Harvester arbeitet mit niederfrequenten Schwingungen

Ein Forscherteam von der Penn State University und der University of Utah entwickelte ein tragbares Energiesammlerelement, das beim Gehen oder Joggen Energie aus den Armschwingungen gewinnen kann. Das Gerät, etwa so groß wie eine Armbanduhr, erzeugt genügend Strom, um ein persönliches Gesundheitsmonitoringsystem zu betreiben.

"Die Geräte, die wir aus unseren optimierten Materialien herstellen, funktionieren in etwa 5- bis 50-mal besser als alle anderen bekannten Systeme", sagte die Professorin Susan Trolier-McKinstry.

Energy Harvester sind sehr gefragt, um die Millionen Geräte zu betreiben, aus denen das Internet der Dinge (IoT) besteht. Durch die kontinuierliche Stromversorgung einer wiederaufladbaren Batterie oder eines Superkondensators können Energy Harvester die Arbeitskosten für den Batteriewechsel bei Ausfall reduzieren und leere Batterien von den Abfalldeponien fernhalten.

Bestimmte Kristalle können beim Zusammendrücken einen elektrischen Strom erzeugen oder ihre Form ändern, wenn eine elektrische Ladung angelegt wird. Dieses Verhalten wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet und in Ultraschall- und Sonargeräten sowie in der Energiegewinnung eingesetzt.

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit verwendeten die Forscher ein bekanntes piezoelektrisches Material, PZT, und beschichteten es auf beiden Seiten einer flexiblen Metallfolie, die vier- bis fünfmal dicker war als bei früheren Bauelementen.

Ein größeres Volumen des aktiven Materials entspricht der Erzeugung von mehr Leistung. Durch die Ausrichtung der Kristallstruktur in der Folie wurde der Gütefaktor der Energiegewinnung erhöht.

Die Druckspannungen, die in der Folie beim Aufwachsen auf die flexiblen Metallfolien entstehen, bedeuten auch, dass die PZT-Folien hohe Dehnungen ohne Rissbildung ertragen können, was zu robusteren Elementen führt.

"Es gab einige gute materialwissenschaftliche Herausforderungen", sagte Trolier-McKinstry über diese Arbeit, die in einer Online-Ausgabe von 'Advanced Functional Materials' "Early View" vorgestellt wurde.

"Zuerst ging es darum, wie man die hohe Schichtdicke auf einer flexiblen Metallfolie erreicht. Dann mussten wir die richtige Kristallorientierung finden, um den stärksten piezoelektrischen Effekt zu erzielen."

Mitarbeiter der University of Utah und der Penn State University entwarfen ein einer Armbanduhr ähnliches Gerät, in dem die PZT/Metallfolienmaterialien integriert sind.

Das Gerät verwendet einen frei rotierenden exzentrischen Messingrotor mit einem eingebetteten Magneten sowie mehrere PZT-Träger mit einem Magneten auf jedem Träger.

Wenn sich der Rotormagnet einem der Träger nähert, stoßen sich die Magnete gegenseitig ab und lenken den Träger dabei ab und ziehen ihn damit in einem Prozess, der als Frequenz-Aufwärtswandlung bezeichnet wird.

Die langsame Frequenz eines rotierenden Handgelenks wird in eine höherfrequente Schwingung umgewandelt. Das neue Gerätedesign ist effizienter als ein herkömmlicher elektromagnetischer Harvester, der laut Trolier-McKinstry in Uhren mit Eigenantrieb verwendet wird.

In zukünftigen Arbeiten glaubt das Team, die Leistung des Harvesters mit dem Kaltsinterprozess, einer am Penn State entwickelten Niedertemperatursynthese-Technologie, verdoppeln zu können.

Darüber hinaus arbeiten die Forscher daran, dem aktuellen mechanischen Harvester eine magnetische Komponente hinzuzufügen, um Energie über einen größeren Teil des Tages abzufangen, wenn keine körperliche Aktivität stattfindet.

Die Finanzierung dieses Forschungsprojektes erfolgte durch das 'Nanosystems Research Center for Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies' (ASSIST) der 'National Science Foundation'.

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