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“.
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.