Das Radio als Energiequelle: Neue Technologie gewinnt Strom aus Funkfrequenzen

Beliefern unsichtbare Funkfrequenzen das Internet of Things von morgen mit Energie?

Autor Mark Newton:

Übersetzung Sarah-Indra Jungblut, 23.01.23

Unsere belebten städtischen Räume sind bereits vollgestopft mit einer Vielzahl von Fahrzeugen, Maschinen, Menschen und Gebäuden – das ist, was wir sehen. Was wir nicht sehen: Auch die Luft selbst ist mit unsichtbarem Informationsverkehr gefüllt. Wifi-Signale, Radiowellen und Telekommunikation durchkreuzen ständig unsere Umgebung.

Eine neue Technologie will Funkfrequenzen nun zur Energiegewinnung nutzen: Forschende der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der University of Central Florida (UCF) haben einen neuen Prototyp entwickelt, der das ansonsten ungenutzte elektrische Potenzial von Funkfrequenzen nutzen kann. Dabei haben insbesondere elektromagnetische Hochfrequenzwellen – die in den meisten besiedelten Gebieten am häufigsten vorkommen – das Potenzial, Geräte mit sehr geringem Stromverbrauch zu betreiben, ohne dass Batterien oder andere Energiequellen erforderlich sind.

Um diese Energie zu nutzen, verwendet das UCF-Gerät piezoelektrische Materialien, die durch mechanische Belastung fester Objekte eine elektrische Ladung erzeugen. Diese Spannungen können so subtil sein wie geringfügige Vibrationen in der Luft, und es gibt seit langem Theorien, dass auch Radio- oder Schallwellen dafür ausreichen.

Die UCF-Erfindung macht sich insbesondere den Mechanismus des Energieaustauschs zwischen mikroakustischen Wellen (die Grundlage für den größten Teil der Radiofrequenzsignalverarbeitung) und Elektronen zunutze. Die Radiofrequenzen und ihre mikroakustischen Wellen werden von dem Gerät erfasst und über ein piezoelektrisches Material auf einem Halbleiter geleitet. Durch die Wirkung der Wellen auf das Material wird Strom erzeugt, der dann in Gleichstrom umgewandelt und von dem angeschlossenen Gerät verwendet wird.

Ein Problem, das die praktische Nutzung von Funkwellen als Energiequelle einschränkt, ist die Notwendigkeit, Signale zu erfassen und zu übertragen, was ebenfalls Energie benötigen. Um diese Probleme zu lösen, haben die UCF-Forschenden eine Technologie entwickelt, die die Fähigkeit zur Stromspülung und zur Erfassung des Spektrums in ein passives Modul integriert. Dadurch würden stromintensive Messmodule überflüssig. Außerdem könnte diese Energie bei Bedarf in einem Kondensator oder einer Batterie gespeichert werden.

Ein weiteres Problem ist die Verfügbarkeit des für die Energieerzeugung benötigten Funkspektrums. Die Umwandlung erfolgt in einem Submillimeter-Funkwellenbereich und in einem speziell definierten Frequenzbereich. Um dieses Problem zu lösen, wurde das Gerät auch entwickelt, um „intelligentere“ Datenübertragungen zwischen Internet-of-Things-Knoten zu verarbeiten und die Belegung von Frequenzen in diesem Bereich zu verstehen. Vereinfacht ausgedrückt würde dies einem Gerät ermöglichen, Energie aus der von nahegelegenen IoT-Knotenpunkten abgestrahlten Funkfrequenzleistung zu gewinnen.

Das Konzept ist insbesondere auf die Versorgung von IoT-Sensoren und -Geräten mit geringer Leistung ausgerichtet – vor allem in einer städtischen Umgebung. Bisher setzt der Bedarf an Energie – der aktuell entweder von einem Solarmodul oder einer eingebauten Batterie gedackt werden muss – diesen Geräten praktische Grenzen. Solarmodule müssen eine bestimmte Größe und ständig Zugang zum Sonnenlicht haben, was in städtischen Gebieten mit hohen Gebäuden nicht immer möglich ist. Und Batterien müssen regelmäßig gewechselt werden, was zusätzliche Kosten verursacht. Ein Gerät, das Strom aus Radiowellen gewinnt, könnte dagegen konstant Strom erzeugen und dabei weniger Kosten beim Aufbau und der Wartung verursachen.

Ein Prototyp des Mini-Radiowellenkraftwerks existiert bereits; nun suchen die Forschenden nach Partner*innen für die Produktion.

Keine Drähte angeschlossen

Die drahtlose Energieübertragung klingt nach einer sehr fortschrittlichen Technologie – aber sie wird schon seit langem erprobt. Bereits Nikolai Tesla hat eine solche Technologie theoretisiert, die in den 1960er Jahren mit der Rectenna – einer Zusammensetzung aus „rectifying“ (gleichrichtend) und „antenna“ (Antenne) – zur Anwendung kam.

Heute werden Rectennas vor allem in Radiofrequenz-Identifikationsetiketten (RFID) verwendet, d.h. bei der Identifizierung von Gegenständen oder Lebewesen mithilfe elektromagnetischer Wellen, zum Beispiel in der Logistik und in Pässen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder (umgangssprachlich auch Funketikett genannt), der sich am oder im Gegenstand bzw. Lebewesen befindet und einen kennzeichnenden Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen dieser Kennung. Diese barcodeähnlichen Anwendungen benötigen keine Sichtverbindung zu einem Scanner, um zu funktionieren, und können vorübergehend mit Strom versorgt werden, wenn bestimmte Funkwellen vorhanden sind. Weitere Anwendungen sind zum Beispiel berührungslose Chipkarten.

Die Energieübertragung über Funkwellen wird jedoch auch als Möglichkeit diskutiert, Sonnenenergie aus dem Weltraum zu übertragen oder Drohnen durchgängig mit Energie zu versorgen.

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