Aus Schall wird elektrische Energie: Ersatz für Millionen Batterien in Sicht

Sensoren, die Gebäude oder andere Systeme überwachen und frühzeitig vor Schäden warnen, benötigen Strom. Den liefern in der Regel Batterien. Im Rahmen des Internets der Dinge werden künftig Milliarden davon eingesetzt. Entsprechend groß sind die Abfallberge. Das lässt sich mit einem Generator verhindern, den Marc Serra-Garcia, Raumfahrtingenieur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH), und ETH-Geophysikprofessor Johan Robertsson entwickelt haben. Er reagiert auf Schallwellen, etwa auf ein bestimmtes Wort oder ein Geräusch, wie es etwa ein Stumpf gewordener Bohrer in einem Metalbearbeitungszentrum von sich gibt. Die Dabei entstehenden Schallwellen fängt der Generator auf und wandelt sie in Strom um. Dadurch wird der Sensor eingeschaltet und das angeschlossene Funkgerät aktiviert, das eine entsprechende Meldung absetzt.

Reaktion zunächst auf zwei Worte

Derzeit reagiert der Generator auf zwei Worte: auf „three“ und „four“. Er kann jedoch auch auf andere Wörter oder Geräusche getrimmt werden, sodass er ständig Strom erzeugt, etwa durch Straßenlärm. Während der Prototyp noch handtellergroß war, so haben die jüngsten Modelle das Format eines Daumennagels. Und sie sollen noch kleiner werden.

Aus schwingenden Plättchen wird Strom

„Der Sensor besteht nur aus Silizium und enthält weder giftige Schwermetalle noch irgendwelche seltenen Erden wie herkömmliche elektronische Sensoren“, betont Serra-Garcia. Aufgebaut ist er aus Dutzenden von gleich oder ähnlich strukturierten Plättchen, die über winzige Stege miteinander verbunden sind. Diese verhalten sich wie Federn. Das spezielle Design dieser mikrostrukturierten Plättchen und wie sie miteinander zu verbinden sind, entwickelten die Forscher mithilfe von Computermodellen und Simulationsrechnungen. Schallwellen setzen das Gebilde in Bewegung. Diese wird in Strom umgewandelt.

Überwachung von stillgelegten Bohrlöchern

Außer zur Gebäudeüberwachung könnte das System auch an stillgelegten Bohrlöchern eingesetzt werden. Wenn sie nicht richtig abgedichtet werden kann Gas entweichen, das ein charakteristisches Zischen verursacht. Dieses könnte den Generator in Betrieb setzen, sodass Alarm ausgelöst würde.

Auch für medizinische Geräte geeignet

Serra-Garcia sieht darüber hinaus Anwendungen in medizinischen Geräten, etwa in Gehörschnecke-Implantaten. Diese Prothesen für Gehörlose brauchen für die Signalverarbeitung dauerhafte Stromzufuhr aus Batterien, die hinter dem Ohr sitzen, wo kein Platz für große Batteriepakete ist. Deshalb müssen die Batterien alle zwölf Stunden ausgewechselt werden. Auch zur kontinuierlichen Messung des Augendrucks könnten solche Generatoren gebraucht werden. „Für einen Sensor mit Batterie ist im Auge zu wenig Platz»“, so der Forscher.

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