KRISS entwickelt Metamaterial zur Erfassung und Verstärkung von Mikrovibrationen für verbessertes Energy Harvesting

Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon, Südkorea

Von KRISS entwickeltes Metamaterial. (Bild: Korea Research Institute of Standards and Science)

Metamaterial fängt und verstärkt Mikrovibrationen

Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat ein Metamaterial entwickelt, das Mikrovibrationen in kleinen Bereichen einfängt und verstärkt. Diese Innovation wird erwartet, die Leistungsausbeute von Energy Harvesting zu erhöhen, das verschwendete Vibrationsenergie in Elektrizität umwandelt, und dessen Kommerzialisierung zu beschleunigen.

Energy Harvesting bezeichnet Technologien, die verschwendete Energie in Form von Wärme, Licht und Vibration in elektrische Energie umwandeln. Während Solarstromerzeugung, die Sonnenlicht als Energiequelle nutzt, weit verbreitet ist, unterliegt sie Einschränkungen wie inkonsistenter Ausgabe und der Unfähigkeit, bei bestimmten Wetterbedingungen Strom zu erzeugen.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Nutzung allgegenwärtiger Vibrationen als Energiequelle stabile Stromerzeugung ohne Umgebungsbeschränkungen. Deshalb gewinnt Vibrations-Energy-Harvesting weiter an Aufmerksamkeit als zukünftige Stromquelle für Internet-of-Things (IoT)-Sensoren, die eine konstante 24/7-Stromversorgung benötigen, und tragbare medizinische Geräte, die Blutdruck und Blutzucker in Echtzeit messen sollen.

Herausforderung: Geringe Leistungsausbeute & hohe Kosten

Die Hauptprobleme, die Vibrations-Energy-Harvesting behindern, sind geringe Leistungsausbeute und hohe Produktionskosten, was es für praktische Anwendungen ungeeignet macht. Während die erzeugte Leistung proportional zur Amplitude der geernteten Vibration ist, sind die meisten Vibrationen, denen wir im Alltag begegnen, winzig.

Um dieses erhebliche Problem zu überwinden, müssten zahlreiche Wandler, wie piezoelektrische Elemente, an mehreren Stellen installiert werden, die relativ großen Vibrationen ausgesetzt sind.

Lösung: 45-fache Verstärkung & 4-fache Leistungsdichte

Das von KRISS entwickelte Metamaterial fängt Mikrovibrationen in seinem Inneren ein, akkumuliert sie und verstärkt sie um mehr als das 45-fache. Dies ermöglicht die Erzeugung großer elektrischer Leistung bei Verwendung einer kleinen Anzahl piezoelektrischer Elemente. Durch Anwendung von Vibrationsernte mit dem entwickelten Metamaterial gelang es dem Forschungsteam, mehr als viermal so viel Strom pro Flächeneinheit zu erzeugen wie mit herkömmlichen Technologien.

Besonders das neu entwickelte Metamaterial hat eine dünne, flache Struktur von etwa der Größe einer erwachsenen Handfläche, sodass es einfach an jeder Oberfläche befestigt werden kann, an der Vibrationen auftreten. Da seine Struktur leicht an das Objekt angepasst werden kann, an dem es angebracht wird, ist sein Anwendungsbereich vielfältig – von Diagnosesensoren, die Schäden an Hochhäusern oder großen Brücken prüfen, bis hin zu kleinen Biosensoren, die individuelle Gesundheitszustände überwachen.

„Diese Forschung ist weltweit die erste, die erfolgreich Vibrationen mit einem Oberflächen-Metamaterial akkumuliert und verstärkt, das Vibrationen vorübergehend einfängt“, sagte Senior Researcher Lee Hyung Jin der Acoustics, Ultrasound and Vibration Metrology Group bei KRISS.

Senior Researcher Seung Hong Min der Non-Destructive Metrology Group äußerte ebenfalls Interesse: „Metamaterialien können genutzt werden, um nächste Generation hochpräziser und hochempfindlicher Sensoren zu entwickeln, indem ultrakleine Vibrationen stark verstärkt werden, die mit herkömmlichen Sensoren schwer zu messen waren.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Eunhye Bae unter eunhye.bae@kriss.re.kr.