Wie man aus seiner Umgebung Energie erntet

Im Zeitalters des Homo electricus ist das Leben ohne Nutzung elektrischer Energie nicht mehr vorstellbar. Nun arbeiten Wissenschaftler an einer Technologie, die die Energieversorgung der Erde revolutionieren wird: an Neutrino Energy Harvesting Systemen, die herkömmliche Akkus eines Tages komplett ersetzen werden. Sie werden in der Lage sein, jedes Elektrogerät zu versorgen. "Mit Neutrino Energie - denn es ist Zeit für den perfekten Strom", betont Holger Thorsten Schubart, CEO der Neutrino Energy Group.

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist Sammelbegriff für Technologien einer globalen Infrastruktur der Informationsgesellschaften, die es ermöglichen, physische und virtuelle Gegenstände zu vernetzen und sie durch Informations- und Kommunikationstechnik zusammenarbeiten zu lassen. Die IoT-Geräte benötigen elektrische Energie, befinden sich aber oft an schwer zugänglichen Stellen. Batterien, die ja regelmäßig aufgeladen oder ausgetauscht werden müssen, kommen als alleinige Stromquellen kaum in Frage. Die Neutrino Energy Harvesting Systeme sind in der Lage, die Stromquellen anfangs zu ergänzen oder in absehbarer Zeit sogar vollständig zu ersetzen. Dabei geht es um einen Prozess, in dem kleine Mengen aus Energie, die in der unmittelbaren Umgebung zur Verfügung steht, in elektrischen Strom gewandelt wird. Diese Energie lässt sich direkt nutzen, aber auch in einem Akku oder Superkondensator so lange speichern, bis sie benötigt wird.

In jüngster Zeit hat die Elektronik- und Mikroelektronikbranche etliche Hürden überwunden, die die Entwicklung von Geräten mit sehr geringem Stromverbrauch behindert hatten. Nun gibt es eine Generation von Leistungsbauelementen, Sensoren und Mikrocontrollern (MCUs), die Neutrino Energy Harvesting Systeme speziell in diesem Bereich kurzfristig zu einer Zukunftstechnik machen. Die Analysten von Semico Research schätzen, dass in Kürze allein der Verkauf von Halbleitern für derartige Neutrino Harvesting Systeme ein Volumen von jährlich mehreren Milliarden US-Dollar erreicht.

Die wichtigsten Aspekte bei Neutrino Energy (Energy Harvesting): Energie lässt sich grundsätzlich aus vielen verschiedenen Quellen gewinnen, etwa aus Funkwellen, Schwingungen, Wärme oder Licht. Diese Quellen können natürlich oder künstlich sein. Anschließend werden sie durch Wandler wie Photovoltaikzellen für Lichtquellen, thermoelektrische Generatoren bei Temperaturgradienten oder Mikrovibrationen durch Neutrinos oder Anti-Neutrinos in kleinen Neutrino Power Cubes in benötigten elektrischen Strom umgewandelt.

Zusätzlich sorgen in der Regel ein Gleichrichter und Konditionierungsschaltkreise für die Optimierung der Energie-Umwandlung. Energy Harvesting Systeme wie auch die Neutrino Power Cubes nehmen Energie aus der Umgebung auf und wandeln diese in elektrischen Strom um. So können bereits heute Geräte mit geringem Strombedarf, etwa Sensoren oder Leuchtdioden, betrieben werden. Diese Systeme haben den Vorteil, dass sie sich mit einfacher Mathematik und Physik nach oben hin skalieren lassen und damit in Zukunft in der Lage sind, jedes Elektrogerät zu versorgen.

Die größte Herausforderung für Systeme der Energieabschöpfung und -verwaltung ist eine konstante Spannungsversorgung bei maximaler Effizienz. Je weniger Energie die Geräte brauchen, desto eher kommen sie dafür in Frage. Im Laufe der Jahre wurden die Energiesparmodi durch schnelle Algorithmen verbessert, was eine schnelle Rückkehr in den Schlafmodus und somit eine weitere Minimierung des Stromverbrauchs ermöglicht. Wichtig ist zudem, den Stromverbrauch auch außerhalb der unmittelbaren Nutzung zu minimieren. Der Ruhestromverbrauch der einzelnen Geräte ist ein Schlüsselaspekt und sollte so gering wie möglich sein.

Zunächst werden Akkus weiterhin zum Einsatz kommen, um Energiespitzen außerhalb der Ruhephasen abzufedern. Doch die Neutrino Energy Harvesting Systeme werden Akkus irgendwann ganz ersetzen. Folgende Geräte sind besonders geeignet, kurzfristig von diesem neuartigen System zu profitieren: elektrische Geräte mit geringem Ruhestrom, geringer Startspannung und hoher Integrationsfähigkeit mit nur wenig externen Komponenten. Dazu gehören beispielsweise Mobiltelefone der neuesten Generation. Entscheidend ist der geringe Energieverbrauch.

Ein intelligentes Powermanagement spielt dabei eine wichtige Rolle. Die Entwickler der technischen Geräte müssen genaue Analysen durchführen, um die durch Neutrino-Zellen gewonnene Energie (Energy Harvesting) mit dem Strombedarf auszubalancieren. Je nach den geltenden Bedingungen der Energiequelle kommt für bestimmte Anwendungen eine Soft- oder Hardware-Steuerungsoption in Frage. In der Regel variiert die Spannung einer solchen Zelle je nach Laststrom. Ziel ist, Batterien in Kürze vollständig durch solche Systeme ersetzen zu können.

Die Entwicklung neuer Prozesse und Technologien im Bereich des Energiemanagements ist weltweit voll im Gange. Die Elektrogeräte von morgen werden einen noch geringeren Stromverbrauch haben. Die Bedeutung von Neutrinoenergiezellen (Energy Harvesting) wird rapide ansteigen. Bis zum Wechsel ins 19. Jahrhundert waren die Neuerungen durchwegs von mechanischen Eingriffen geprägt. Von der Wahrnehmung des Naturphänomens Elektrizität bis zur wirtschaftlichen Nutzung vergingen 100 Jahre. Das von Siemens entwickelte elektrodynamische Prinzip basiert auf Generatoren, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln können - ein Meilenstein in der menschlichen Entwicklung.

Heute stehen wir inmitten des Zeitalters des Homo electricus. Schon mit den Erkenntnissen der Solartechnik, also der Nutzung sichtbarer Strahlung, wurde die Tür in ein neues Zeitalter aufgestoßen. In der Zwischenzeit haben Wissenschaftler und Forscher eine weitere Strahlung im nichtsichtbaren Bereich entdeckt und die Wandler zur Produktionsreife gebracht. Beide Technologien sind in der Lage, Elektronen in einem dazu vorbereiteten Material in Bewegung zu setzen. Das ist gleichbedeutend mit Energieumwandlung ohne Generator. Dies wird die Energieversorgung der Erde revolutionieren. Die ersten Neutrino-Energiezellen, die sogenannten Neutrino Power Cubes, sind der Schritt ins nächste elektrische Zeitalter - in ein Zeitalter, das ohne Verstromung fossiler Brennstoffe auskommt.

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