Energy harvesting ebnet den Weg für energieautarke Geräte

Energy Harvesting zielt darauf ab, die Energie aus der Umwelt für den Betrieb eines Systems zu nutzen. Die Schweizer Industrie verfügt über eine langjährige Erfahrung in diesem Bereich mit mechanischen Automatikuhren, die durch die Bewegung des Handgelenks angetrieben werden. Taschenrechner, Dynamolampen und RFID-Etiketten sind weitere Beispiele für Produkte, die durch Energiegewinnung angetrieben werden und uns schon seit langem umgeben. In der Medizintechnik benötigen Geräte wie Systeme zur kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels und implantierbare Herzstimulatoren für ihren Betrieb eine stetige und zuverlässige Energieversorgung. Batterien sind hier häufig die Lösung der Wahl. Allerdings müssen sie alle drei bis zehn Jahre aufgeladen oder sogar durch neue Batterien ersetzt werden, was die Benutzerfreundlichkeit beeinträchtigt. In kritischen Anwendungen zielen hybride Energy-Harvesting-Lösungen derzeit darauf ab, die Batterielebensdauer zu verlängern und damit Operationen, deren medizinische Risiken und die Kosten für das Gesundheitssystem zu reduzieren. In Zukunft könnten Energy-Harvesting-Lösungen jedoch Batterien ersetzen und kleinere Implantate für die Behandlung und Diagnose ermöglichen. Im Hinblick auf diese attraktive Perspektive hat Helbling bereits Unternehmen bei der Implementierung von Energy Harvesting in ihre Systeme unterstützt. So hat Helbling neben Lösungen für die drahtlose Energieübertragung auch Projekte im Bereich Energy Harvesting durchgeführt, die von Datenloggern für die Luftfahrt über Wearables bis hin zu Medikamentenverabreichungssystemen reichen.

Ein Systems Engineering Ansatz gliedert den Entwicklungsprozess

Die Implementierung einer Energy-Harvesting-Lösung erfordert eine ganzheitliche Analyse des Systems, seiner Anforderungen, seiner Funktionen und seiner Anwendungsfälle. Die Entwicklung gliedert sich in fünf Aspekte, die in Abbildung 1 dargestellt sind. Die Analyse der Funktionen und des Energiebudgets des Systems (V) ist die erste Phase, die abgeschlossen werden muss. (Wie viel Energie pro Funktion? Wie häufig? Wie lange?) Die Analyse der Anwendungsszenarien ermöglicht es dann, die Energiequellen in der Umgebung des Geräts (I) zu identifizieren: Licht, Wärme, Bewegungen, biochemische Stoffe oder andere. Ausserdem wird empfohlen, deren Intensität unter realen Bedingungen zu messen. Wenn man die Entwicklung unter diesen Gesichtspunkten angeht, kann man die Durchführbarkeit der Lösung beurteilen und sie verfeinern, bevor man Ressourcen für Laborarbeiten einsetzt.

Technologische Lösungen kommen in einer weiteren Phase ins Spiel, in der die Wandler zur Umwandlung der Energiequelle in Elektrizität untersucht werden (II): Photovoltaikzellen gewinnen Energie aus Licht, thermoelektrische Generatoren aus Wärme und Elektroden aus biochemischen Stoffen, während elektromagnetische, triboelektrische, elektrostatische und piezoelektrische Generatoren mechanische Energie umwandeln. Neben dem Energy Harvesting ermöglichen Antennen und einige der oben genannten Wandler auch die drahtlose Übertragung von elektromagnetischer und Ultraschallenergie, wenn sich ein Stromversorgungssystem in der Nähe befindet. Die in Abbildung 2 gezeigten Wandler für die Energiegewinnung und -übertragung entsprechen dem Energiebudget von tragbaren und implantierbaren Systemen. Es zeigt sich also, dass es mehrere Lösungen für die Stromversorgung autonomer mobiler Sensoren und Systeme für das Gesundheitsmanagement gibt.

Da die übertragene elektrische Leistung in den seltensten Fällen über die Nutzungsszenarien hinweg konstant ist, ist die Entwicklung eines Harvester-Schaltkreises von wesentlicher Bedeutung für die zuverlässige Versorgung der Elektronik (III). Es gibt zahlreiche Architekturen, welche von den integrierten Harvester-Schaltungen profitieren, die sich mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) verbreitet haben. Sie ermöglichen die Kombination mehrerer Messwertgeber und das Management der Energiequelle zwischen der sofort umgewandelten Energie und Batterien für die Energiespeicherung (IV). Zu diesem Zeitpunkt der Entwicklung wird empfohlen, die ermittelte Lösung mit handelsüblichen Messwertgebern und Harvestern zu validieren. Sobald die richtigen Technologien identifiziert sind, müssen oft projektspezifische Lösungen entwickelt und hergestellt werden, da es in der Regel keine Einheitslösungen für alle Wandler gibt.

Die Forschung zeigt einen Blick auf die Anwendungen von morgen

Die Forschung auf dem Gebiet der Energiegewinnungstechnologien für medizinische Geräte läuft auf Hochtouren, und viele vielversprechende Technologien stehen in den Startlöchern. So wurden induktive und Hochfrequenz-Energieübertragung für Anwendungen demonstriert, die von epi-retinalen Prothesen [1] bis zu Drucksensoren in Kontaktlinsen [2] reichen. Darüber hinaus ermöglichten triboelektrische Nanogeneratoren (11 uW/cm^2 [3]) und subdermale photovoltaische Zellen (4-1963 uW/cm^2 [4]) auch die Stromversorgung von Herzschrittmachern. Im Jahr 2023 schliesslich berichteten Forscher der ETH Zürich über eine implantierbare künstliche Insulinpumpe, die durch körpereigene Glukose betrieben wird (0.45 mW/cm^2 [5]). Bei der Umsetzung von Energy-Harvesting-Lösungen treffen Forschung und Entwicklung aufeinander. Helbling und sein Partnernetzwerk sind in der Lage, den Technologietransfer für Innovationen in der Medizintechnik voranzutreiben.

Zusammenfassung: Ein klarer Plan und multidisziplinäre Kompetenzen unterstützen die Entwicklung von Geräten mit eigener Energieversorgung

Energy-Harvesting-Lösungen werden kontinuierliche diagnostische und therapeutische medizinische Geräte ermöglichen. Sie machen auch den Weg frei für intelligente Sensornetzwerke für Verbraucherprodukte bis hin zu industriellen Anwendungen und sogar zur Klimaüberwachung. Die Gliederung des Entwicklungsprozesses hat gezeigt, dass multidisziplinäre Fähigkeiten und ein systemischer Ansatz erforderlich sind. In der Tat hat Helbling in den 60 Jahren seiner Erfahrung seine Entwicklungsmethoden für die Durchführung erfolgreicher Entwicklungsprojekte kontinuierlich verfeinert. Wo sind also in Zukunft Energy-Harvesting-Lösungen zu erwarten? Das ist zwar noch nicht abzusehen, aber an Anwendungen wird es nicht mangeln. Helbling ist bereit, seine Kunden bei der Ausgestaltung dieser Lösungen zu unterstützen. 

Autoren: Joan Teixidor, Stefan Bauer 

Hauptbild: Bing Image Creator