Strom statt Schwitzen: Miniatur-Thermogenerator gewinnt Leistung aus Abwärme

19.02.2008

Fast jede Maschine oder Anlage hat Verschleiß- und Schwachstellen, die früher oder später Stillstände oder Ausfälle verursachen, wenn sie nicht vorsorglich gewartet werden. Man nimmt bei dieser präventiven Instandhaltung notgedrungen in Kauf, dass oftmals Teile ausgetauscht werden, die noch völlig in Ordnung sind. Viel wirtschaftlicher ist deshalb eine zustandsorientierte Instandhaltung. Dafür benötigt man jedoch laufend Informationen über den Zustand aller Schwachstellen und Verschleißteile, so dass genügend Vorwarnzeit zur Maßnahmenplanung bleibt. Das dazu erforderliche Dichte Netz von Sensoren mit der entsprechenden Infrastruktur war allerdings bisher gegenüber der präventiven Wartung nicht konkurrenzfähig. Neue Kurzstrecken-Funkstandards mit leistungsfähigen Kommunikationsprotokollen und akzeptabler Batterielebensdauer haben das Bild inzwischen gründlich verändert. Doch auch der laufende Austausch von Batterien ist ein kompliziertes und teures Geschäft. Energy-Harvesting ist hier das neue Stichwort, das Abhilfe verspricht: Mechanische Schwingungen oder Temperaturunterschiede nahe am Einbauort werden in elektrische Energie zum Betrieb des Funk-Sensors umgewandelt.

Während bereits einige auf Piezotechnik basierende Schwingungsgeneratoren für spezifische Frequenzbereiche angeboten werden, waren Thermogeneratoren, die - bei kompakten Abmessungen - aus moderaten Temperaturdifferenzen ausreichend Spannung generieren, bislang nicht realisierbar. Das hat sich jetzt geändert: Winzige Dünnschicht-Thermogeneratoren erlauben es künftig, drahtlose Sensoren an Stellen und in Mengen zu platzieren, die bislang undenkbar waren. Anstatt Kabel zu verlegen, oder mit mehr oder weniger Aufwand die Batterien drahtloser Sensorik zu warten, ist nun Installieren-und-Vergessen in greifbare Nähe gerückt. Die Einsatzgebiete für die Miniatur-Generatoren sind fast nur durch die Fantasie des Anwenders eingeschränkt, solange nicht die 200°C Grenztemperatur für die neuen Thermogeneratoren überschritten wird.

Thermoelektrische Generatoren nutzen den so genannten Seebeck-Effekt, die Umkehrung des Peltier-Effekts, der z.B. in der elektrischen Kühltasche für geregelten Frost sorgt. Der Seebeck-Effekt basiert auf der Tatsache, dass ein Wärmefluss durch thermoelektrisch aktive Materialien einen Stromfluss bewirkt. Die Thermoelektrik-Experten der Micropelt GmbH, Freiburg haben sich auf die Herstellung einer thermoelektrischen Dünnschicht spezialisiert. Mit Verfahren aus der Chipherstellung werden in den Freiburger Reinräumen miniaturisierte Kühlelemente und Thermogeneratoren genannt Micropelts, erzeugt, die diese Effekte besonders effektiv nutzen, weil die innere Struktur auf Bruchteile eines Mikrometers genau für den vorgesehenen Einsatzzweck designt wurde. Die neuesten Thermogenerator-Modelle sind nur ca. 6 bis 25 mm² groß, erzeugen aber aus Temperaturunterschieden von weniger als 20°C mehrere mW Leistung.

Die winzigen Thermogeneratoren bestehen aus einem Paar Siliziumchips, die jeweils eine Mikrostruktur aus entgegengesetzt dotiertem thermoelektrischen Wismut-Tellurit (Bi2Te3) tragen. Mittels eines speziellen Lötverfahrens werden diese beiden Hälften miteinander verzahnt und verbunden. Welche Spannung von einem thermoelektrischen Generator erzeugt werden kann, ist abhängig von der am Einsatzort vorherrschenden Temperaturdifferenz und der Anzahl der Beinpaare, mit anderen Worten, der Feinheit der thermoelektrischen Struktur.

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