Draadloze sensornetwerken bewaken machines en installaties in fabrieken, auto’s en elektrische centrales. De energie, die nodig is voor het verzenden van de meetgegevens halen ze steeds vaker uit hun omgeving en zijn daarmee zelfvoorzienend. Onderzoekers van Fraunhofer presenteren een gedrukte thermogenerator op de Messe Electronica 2012 in München, die de energieverzorging voor sensoren in de toekomst genereert uit temperatuurverschillen.
De computer slaat alarm: de motor van een machine dreigt oververhit te raken. Dat meldt de thermosensor, die direct op de motorbehuizing is aangebracht. Deze informatie gaat naar de onderhoudsdienst, die dan zorgt dat de oorzaak wordt gevonden. Sensoren horen in fabrieken, automobielbouw en veel andere gebieden tot het dagelijks leven. Ze meten temperatuur, luchtvochtigheid of slijtage en zenden de data radiografisch naar de computer. Dat maakt conclusies over de toestand van de onderdelen zoals onderhoudswerkzaamheden of reparaties mogelijk.
Steeds vaker worden tegenwoordig draadloze sensornetwerken gebruikt, die nauwelijks energie verbruiken en de energie, die de sensor, rekeneenheid en zender nodig hebben in plaats van uit een batterij zelfs direct uit de omgeving oogsten. Elektrische energie kan bijvoorbeeld uit warmte of beweging worden gehaald. Onderzoekers bij het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen presenteren op de Messe Electronica in München (13 – 16 november) een gedrukte thermogenerator, die nauwkeurig kan worden aangepast aan de oppervlakte.
Controle door sensoren met eigen stroomvoorziening
“Een draadloos sensornetwerk helpt om voor de veiligheid relevante onderdelen eenvoudig te bewaken”, verklaart dr. Volker Zöllmer, afdelingsleider functiestructuren, die zich bij Fraunhofer IFAM bezighoudt met het thema Energy Harvesting. Om te zorgen dat sensoren optimaal kunnen functioneren moeten deze direct op de oppervlakte van componenten worden aangebracht of zelfs erin worden geïntegreerd.
De energievoorziening komt meestal via de kabel of uit een batterij. “Maar de beperkte opslagcapaciteit en levensduur van de batterijen en het thema recycling zijn kritische punten voor de gebruiker”, aldus Zöllmer. “Uit onze ervaring blijkt, dat een te verwisselen batterij de design van de toepassing in belangrijke mate bepaald en daardoor de flexibele vorm beïnvloedt”.
Een gerichte combinatie van thermo-elektrische und metalen grondstoffen maakt het mogelijk om structuren te printen die zich gedragen als een thermo-elektrische generator (afbeelding: Fraunhofer IFAM)
Om te zorgen, dat sensornetwerken geschikt zijn voor een energieverzorging met behulp van Energy-Harvesting-systemen, mogen ze maar weinig energie verbruiken. Als sensoren in intelligente netwerken alleen bij zenden en ontvangen van data actief zijn, ligt de energiebehoefte in het milliwattgebied. Dit zou bijvoorbeeld door thermogeneratoren kunnen worden geleverd, die omgevingswarmte omzetten in stroom. De IFAM-onderzoekers gebruiken nieuwe productieprocessen om dergelijke generatoren op maat te produceren.
Thermogeneratoren printen
“Met generatieve productiemethoden kunnen we zowel de sensoren als de elementen voor de energie oogst zoals thermogeneratoren produceren. Door het direct opbrengen van structuren van functionele materialen op basis van inkt en pasta door middel van inkt-jet, aerosol-jet, zeefdruk of dispersie processen zouden niet alleen elektrische schakelkringen en sensorelementen op verschillende oppervlakken kunnen worden aangebracht. “Het is ook mogelijk, om structuren te maken, die energie oogsten”, verduidelijkt Zöllmer.
Door de gerichte combinatie van metalen en thermo-elektrische grondstoffen, die na elkaar worden opgebracht, maken de onderzoekers structuren, die bruikbaar zijn als thermo-elektrische generatoren. Het grote voordeel: de gedrukte thermogeneratoren zijn nauwkeurig aan te passen aan de technische oppervlakken. Dat maakte sensoren minder storingsgevoelig, omdat de energieverzorging direct kan worden aangepast aan de eisen ter plaatste.
