Batterie lädt sich selbst

Kostengünstige Chips, die mechanische Energie ernten, könnten künftig drahtlose Sensoren mit Strom versorgen.

MicroGen Systems, ein Start-up aus Ithaca im US-Bundesstaat New York, arbeitet an neuartigen Chips, mit denen sich Strom aus mechanischer Energie erzeugen lässt. Die Idee: Die Technik soll samt kleiner Batterien in kostengünstige drahtlose Sensoren eingebaut werden, die beispielsweise den Reifendruck im Auto messen oder Umweltbedingungen in Gebäuden über Jahre hinweg überwachen. Diese Art von Selbstversorgung könnte die Sensoren autonom arbeiten lassen, ohne dass mit viel Aufwand Batterien getauscht werden müssten.

Der Kern der MicroGen-Chips besteht aus einem einen Quadratzentimeter großen Array, auf dem sich kleine Silizium-Auskragungen befinden. Diese oszillieren frei, wenn der Chip bewegt wird. An der Basis der beweglichen Silizium-Hebelchen befinden sich kleine Stückchen eines piezoelektrischen Materials. Steht dieses unter mechanischer Spannung, produziert es Strom. Das Array ist wiederum auf einer briefmarkengroßen Dünnfilmbatterie aufgebracht, die die erzeugte Energie speichert. Zwischen piezoelektrischem Material und Batterie sorgt wiederum ein elektrischer Wandler für die notwendige Kompatibilität. Wird der Chip beispielsweise durch ein sich drehendes Autorad bewegt, lassen sich immerhin rund 200 Mikrowatt Leistung bereitstellen.

"Bei passender Miniaturisierung können 200 Mikrowatt potenziell sehr nützlich sein", meint David Culler vom Institut für Computerwissenschaften an der University of California in Berkeley, der als Pionier im Bereich drahtloser Sensornetzwerke für das Umweltmonitoring und andere autonome Anwendungen gilt.

Allerdings sei MicroGen beileibe nicht das einzige Unternehmen in diesem Markt. "Forscher entwickeln zahllose dieser Energieerntesysteme, die Licht, Wärme, Funkwellen oder Vibrationen nutzen und dann direkt verfügbar machen oder in einer Batterie speichern." Hinzu komme, dass die traditionelle Solartechnik erst einmal geschlagen werden müsse.

Robert Andosca, Gründer und Präsident von MicroGen Systems, meint, die Besonderheit seines Verfahrens liege in der Nutzung eines selbst entwickelten piezoelektrischen Materials, das zudem ungiftig sei. Die üblicherweise in solchen Elementen verwendete Variante, das PZT, enthalte dagegen Blei.

Bei MicroGen glaubt man außerdem an eine äußerst kostengünstige Produktion. Konkurrierende Geräte seien relativ groß und müssten oft von Hand zusammengesetzt werden, was in der Herstellung Hunderte Dollar kosten könne. Da das MicroGen-Array auf Mikrosystemen (MEMS) basiert, die aus Silizium bestehen, sind sie klein und auf Standardequipment herstellbar, das schon für Computerchips verwendet wird. In Massenproduktion würde ein solches Bauteil nur noch einen Dollar kosten.

MicroGen ist ein Spin-off der University of Vermont. Die momentan eingesetzte Experimental-Foundry zur Herstellung der ersten Prototypen steht an der Cornell University. Es wurden aber bereits Muster an verschiedene große Halbleiterproduzenten geschickt. Als Nächstes soll nun Herstellungszeit in einer kommerziellen Produktionsstraße für MEMS gemietet werden, um die Massenproduktion evaluieren zu können. Erstmals verkauft werden könnten die Chips dann in ungefähr einem Jahr.

Der erste Markt, an den Andosca denkt, sind Reifendruckmessgeräte. Diese Sensoren sind in den Vereinigten Staaten mittlerweile für neue Autos gesetzlich vorgeschrieben, weil korrekter Reifendruck Sprit spart und zur Fahrsicherheit beiträgt. "Diese Batterien zu tauschen ist ein extrem aufwendiger Vorgang", meint der MicroGen-Gründer. Die aktuelle Generation solcher Messsensoren kann drei Jahre im Reifen verbleiben, bevor sie getauscht werden müssen – jedes Jahr werden 64 Millionen dieser Batterien verbaut. Der MicroGen-Chip würde dagegen bestenfalls ein ganzes Autoleben lang arbeiten. (bsc)