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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung
Energy Harvesting – 
Energie aus der Umwelt, Teil 4: Strahlungsenergie

Unter Strahlungsenergie versteht man elektromagnetische Felder jeglicher Frequenz. Der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums lässt sich beispielsweise durch Solarzellen zur 
Gewinnung elektrischer Energie „anzapfen“.

>Passiver NFC- Tag ohne eigene Energiequelle.< Der NFC-Tag wird durch das Nahfeld eines aktiven Felderzeugers (z. B. ein entsprechendes Handy) „aufgeweckt“ und kommuniziert über die Modulation dieses Feldes (Quelle: Hama)

Für die Kommunikation im Nahbereich können 
spezielle Etiketten ein elektromagnetisches 13,56-MHz-Feld zur Energieversorgung nutzen.

In den USA wird bereits Betriebsenergie über das Hochfrequenzfeld eines Speisesenders per Funk den drahtlos arbeitenden Geräten übermittelt. Die Ambient-Backscattering-Technologie ermöglicht Funkverbindungen ohne eigenes Sendefeld und Stromquelle.

Solarzellen

Die Gewinnung elektrischer Energie aus Licht, dem sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, übernehmen Solarzellen. Man denke an solar gespeiste Ladegeräte, Radios, Gartenlampen, Teichpumpen, Hausnummerbeleuchtungen, usw. Aber auch bereits bei geringen Beleuchtungsstärken lässt sich ausreichend Energie für den Betrieb vieler Geräte „ernten“. So können z. B. Solaruhren bei Raumbeleuchtung problemlos eine erhebliche Gangreserve aufbauen, Radios mit Ohrhörern betrieben werden oder Solarladegeräte Energie zur Ladung von Mobiltelefonen sammeln.

Der Wirkungsgradrekord von Solarzellen liegt heute bei 44,4 %. Diesen vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bestätigten Wert hat Hersteller Sharp bei seiner Dreischicht-Mehrfachsolarzelle mit vorgeschalteter Fresnel-Linse als Konzentrator gemeldet. Der Schichtenaufbau der 4x4-mm-Zelle besteht aus infrarotempfindlichem Indium Gallium Arsenid (InGaAs) unten, Galliumarsenid (GaAs) für den nahen Infrarotbereich in der Mitte und zuoberst Indiumgalliumphosphid (InGaP).

Kommunikation 
im Nahfeld

Ein weiteres Beispiel sind passive Nahfeldkommunikationsetiketten (Bild), sogenannte NFC-Tags (NFC: Near Field Communication, Tag: Etikett, Anhänger). Sie verfügen über keine eigene Energiequelle, sondern benötigen zum Betrieb ein sie umgebendes elektromagnetisches 13,56-MHz-Feld ausreichender Stärke. Das felderzeugende aktive Gerät heißt Abfrager (Poller), der passive NFC-Tag Zuhörer (Listener). Sende- und Empfangsspule bilden einen lose gekoppelten HF-Übertrager. Der passive NFC-Tag liefert die abgefragte Information per Feldmodulation, d. h. er entzieht dem Feld nicht konstant die gleiche Energiemenge, sondern variiert seine Impedanz im Rhythmus der Information. Der Abfrager wertet die für ihn resultierenden Lastschwankungen aus und ist damit im Besitz der Informationen des NFC-Tags. Hier wird also ein speziell für diesen Zweck erzeugtes Feld sowohl zur Energie- als auch Datenübertragung genutzt. Die typische Übertragungsreichweite liegt bei wenigen Zenti-
metern.

Energie über Distanz

Die in Elektrosmog oder in dedizierten Versorgungsfeldern enthaltene elektromagnetische Energie kann durch geeignete Antennen angezapft und mit darauf spezialisierter Ultra-Low-Power-Elektronik geerntet werden. Es gibt also im Umfeld eine große Vielzahl durch den Menschen produzierter elektromagnetischer Nutzsignale, die zusammen mit Sekundärstörungen eine „elektromagnetische Umweltverschmutzung“ (man made noise) erzeugen. Nicht zuletzt wirken aus dem Weltall zahllose Strahlungsquellen auf die Erde ein. Allerdings sind die Erträge aus diesen Quellen äußerst geringfügig.

Das klassische Beispiel aus den Anfangstagen des Rundfunks für über eine Langdrahtantenne dem Feld eines Radiosenders entnommene Energie, ist der Detektorempfänger. Zu seiner Funktion ist keinerlei sonstige Energiequelle erforderlich.

Grundsätzlich lassen sich bereits im Umfeld des zu versorgenden Geräts vorhandene bekannte Ausstrahlungen (Rundfunk, Mobilfunk, WLAN, ...), aber auch unerwartete, zufällig angetroffene anzapfen. Wenn das nicht ausreicht, kann man die Betriebsenergie über das HF-Feld eines Speisesenders den drahtlos arbeitenden Geräten per Funk übermitteln. Diesen Weg verfolgt die amerikanische Firma Powercast (www.powercastco.com) für Indoor-Anwendungen. Mit dieser Methode lassen sich mit vergleichsweise geringen Sendeleistungen (EIRP: 1 W oder 3 W) über wenige Meter für Micro-Energy-Harvesting-Maßstäbe kräftige Energien übertragen. Die Energieausbeute hängt von vielen Faktoren ab: Richtwirkung der Antennen, Frequenzbereich, Distanz, ... Das System ist zurzeit nur in Nordamerika und Kanada zugelassen und kann freie Entfernungen von 12 bis 14 m überwinden. So attraktiv die Idee auf den ersten Blick scheint, ist es fraglich, ob sie in Deutschland zum Einsatz kommen wird. Da sind zuvor regulatorische Hürden (Bundesnetzagentur) und die Befürchtung vieler Menschen, elektromagnetische Strahlung könnte schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben, zu überwinden.

ABS – 
Ambient Backscattering

Einen Schritt weiter geht das Konzept des „Ambient Backscattering“, übersetzt etwa „Rückstreuung im Umfeld“. Mit diesem Verfahren können batterielose Mini-Ultra-Low-Power-Geräte im nahezu allgegenwärtigen Funkfeld eines Rundfunk-, WiFi- oder Mobilfunksenders miteinander auf kurze Distanzen kommunizieren. Eine detaillierte Beschreibung des an der University of Washington entwickelten Verfahrens findet man in [1].

Funktionsweise

ABS tritt in einem elektromagnetischen Feld immer dann auf, wenn die Welle auf eine Inhomogenität der Ausbreitungsbedingungen auf ihrem Ausbreitungspfad trifft. Im Falle eines TV-Senders kann dies ein Hochhaus sein, aber auch die um Größenordnungen kleinere Antenne eines Sender-Empfängers (Transceiver), der seine Betriebsenergie aus dem TV-Sender-Feld „erntet“. Indem man deren Impedanz im Rhythmus einer digitalen Sendenachricht ändert, wird die Welle am Ort der Antenne mehr oder weniger stark reflektiert. Eben diesen Vorgang nennt man Ambient Backscattering.

Die Antenne eines Empfängers in kleinem Abstand zum Sender findet nun das ursprüngliche elektromagnetische Feld zuzüglich eines geringen, vom Sender mit der Nachricht modulierten, reflektierten Anteils vor. Wenn der Empfänger diesen isoliert, ist er im Besitz der Nachricht, ohne dass der Sender ein eigenes elektromagnetisches Feld für deren Übertragung erzeugen musste. Er benutzt gewissermaßen die ohnehin vorhandenen hochfrequenten Wellen des Feldes. Für einen in der Nähe befindlichen digitalen TV-Empfänger ist das Rückstreusignal nur ein weiterer winziger Multipath-Anteil in seinem Empfangssignal, den er durch seine inhärente Resistenz ignoriert. Wenn Backscatter-Sender und TV-Empfangsantenne also nicht unmittelbar nebeneinander liegen, sind keine Bild- und Tonstörungen zu erwarten.

Frequenz und Signal

Die Frequenz des TV-Feldes ist mit einigen 100 MHz erheblich höher als die Backscatter-Frequenz von wenigen Kilohertz. Deshalb kann man mittels geeigneter Durchschnittsbildung aus dem Signalgemisch an der Empfängerantenne das ABS-Signal wiedergewinnen. Das ist darin begründet, dass Abtastwerte des TV-Signals während der vergleichsweise langen ABS-Perioden weitgehend unkorreliert sind.

Prototyp und Anwendung

Anhand mehrerer Prototypen wurde die Realisierbarkeit des ABS-Konzepts belegt. Damit ließen sich Daten mit einer Rate von 1 kbit/s bis zu einem Meter weit übertragen. Eine Referenzanwendung, bei der ein geleertes Regalfach im Supermarkt automatisch auf sich aufmerksam macht und das Nachfüllen veranlasst, war erfolgreich. Die Entwickler glauben, durch Optimierung der Bausteine ihres Systems, Reichweite und Übertragungsbandbreite deutlich steigern zu können.

Literatur:

[1] PDF: Ambient Backscatter, Wireless Communication Out of Thin Air. University of Washington, homes.cs.washington.edu/~gshyam/Papers/amb.pdf.

Autor: K. Jungk

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen. 

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