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Graphen-Spule gewinnt Energie für einen Temperatursensor aus einem Magnetfeld
Strom aus der Umgebung: Ein neu entwickelter Temperatursensor nutzt das Magnetfeld einer nahen Wechselstromleitung, statt Energie aus einer Batterie zu beziehen. Eine Graphen-Spule gewinnt dafür Strom, den Kondensatoren zwischenspeichern. Der Prototyp funktioniert nach einmaliger Vorbereitung, ein vollkommen selbstständiger Start ist bislang aber nicht nachgewiesen.
Fayetteville (U.S.A.). Kleine Sensoren könnten künftig an zahlreichen Orten Temperaturen messen, ohne dass sich jemand regelmäßig um ihre Stromversorgung kümmern muss. Doch das ist schwierig: Batterien müssen irgendwann ausgetauscht oder geladen werden. Gerade bei weit verteilten Messstellen verursacht das Aufwand und zusätzlichen Abfall.
Eine mögliche Alternative ist das sogenannte Energy Harvesting, also das Gewinnen kleiner Strommengen aus der Umgebung. Licht, Wärme, Bewegung oder elektromagnetische Felder können dann die Energie liefern. Voraussetzung ist allerdings, dass das Messgerät mit einer äußerst geringen Leistung auskommt.
Forscher der University of Arkansas (U of A) um Prof. Paul M. Thibado haben nun untersucht, ob dafür auch das Magnetfeld einer gewöhnlichen Stromleitung ausreicht. Als Testgerät nutzte das Team einen besonders sparsamen Temperatursensor. Die entscheidende Frage war, ob sich dessen Elektronik ohne Akku dauerhaft genug mit Energie versorgen lässt.
Dazu haben die Wissenschaftler aus Graphen, einer nur eine Atomlage dicken Kohlenstoffschicht, verschiedene elektrische Spulen gefertigt. Einige besaßen die Form einer flachen Spirale, andere waren räumlich wie eine Schraubenfeder gewunden. Anschließend untersuchten sie, welche Spannungen und Ströme in der Nähe eines wechselstromdurchflossenen Kabels entstehen.
Eine der Graphen-Spulen mit einem innenliegenden Stahlkern lieferte genügend Spannung, um eine spezielle Schaltung anzutreiben. Diese richtet die gewonnene Wechselspannung gleich und vervielfacht ihren Spannungswert. So konnten drei Kondensatoren, also elektrische Zwischenspeicher, bis zu den für den Sensor benötigten Spannungswerten geladen werden.
Der Versuchsaufbau nutzte Magnetfelder mit 60 Hertz, der üblichen Netzfrequenz in den U.S.A. Die Energie stammt also nicht aus beliebiger Hintergrundstrahlung. Sie wird gezielt in der Nähe einer stromführenden Leitung aus deren wechselndem Magnetfeld gewonnen.
Statt eines wiederaufladbaren Akkus und einer herkömmlichen Energieverwaltung verwendete das Team drei Kondensatoren. Laut der Fachstudie senkte dies den Leistungsbedarf des Sensors und verlängerte seine rechnerisch mögliche Einsatzdauer. Zugleich zeigte der Prototyp, dass die geerntete Energie grundsätzlich für den Betrieb des eigens entwickelten Messsystems genutzt werden kann.
Die Spule lädt die Kondensatoren nach Angaben der Forscher langsam nach, aber schneller, als die sparsame Elektronik Ladung verbraucht. Deshalb könnte das Messgerät auch einen vorübergehenden Wegfall des Magnetfelds überbrücken. Thibado schätzt, dass die gespeicherte Energie mindestens 24 Stunden und möglicherweise sogar eine Woche reichen könnte.
Allerdings hat der Prototyp eine entscheidende Einschränkung: Vor der Demonstration mussten die Kondensatoren zunächst geladen und der Prozessor programmiert werden. Ob sich das System nach vollständiger Entladung ganz von selbst in Gang setzt, wurde in der Studie ausdrücklich nicht untersucht.