KRISS entwickelt Metamaterial zur Erfassung und Verstärkung von Mikrovibrationen für eine verbesserte Energiegewinnung

Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon, Südkorea

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

Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat ein Metamaterial entwickelt, das Mikrovibrationen in kleinen Bereichen einfängt und verstärkt. Es wird erwartet, dass diese Innovation die Leistung des Energy Harvesting steigert, das verschwendete Schwingungsenergie in Strom umwandelt, und seine Kommerzialisierung beschleunigt.

Unter Energy Harvesting versteht man eine Technologie, die verschwendete Energie in Form von Wärme, Licht und Vibration in elektrische Energie umwandelt. Während die Solarstromerzeugung, die Sonnenlicht als Energiequelle nutzt, häufig genutzt wird, bringt sie Einschränkungen mit sich, wie z. B. eine inkonsistente Leistung und die Unfähigkeit, unter bestimmten Wetterbedingungen Strom zu erzeugen.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Nutzung allgegenwärtiger Vibrationen als Energiequelle eine stabile Stromerzeugung ohne umgebende Umwelteinschränkungen. Aus diesem Grund gewinnt die Gewinnung von Vibrationsenergie weiterhin an Bedeutung als zukünftige Energiequelle für Sensoren im Internet der Dinge (IoT), die eine konstante Stromversorgung rund um die Uhr benötigen, sowie für tragbare medizinische Geräte, die Blutdruck und Zuckerspiegel in Echtzeit messen sollen.

Die Hauptprobleme bei der Energiegewinnung aus Vibrationen bestehen darin, dass sie eine geringere Leistungsausbeute und höhere Produktionskosten haben, was sie für eine praktische Anwendung ungeeignet macht. Während die erzeugte Energiemenge proportional zur Größe der gewonnenen Schwingung ist, sind die meisten Schwingungen, denen wir im täglichen Leben begegnen, winzig.

Um dieses erhebliche Problem zu lösen, sollten zahlreiche Umwandlungsgeräte, wie z. B. piezoelektrische Elemente, an mehreren Stellen installiert werden, die relativ starken Vibrationen ausgesetzt sind.

Das von KRISS entwickelte Metamaterial fängt Mikrovibrationen ein, akkumuliert sie und verstärkt sie um mehr als das 45-fache. Dies ermöglicht die Erzeugung großer elektrischer Energie im Vergleich zur geringen Anzahl verwendeter piezoelektrischer Elemente. Durch die Anwendung von Vibration Harvesting mit dem entwickelten Metamaterial ist es dem Forschungsteam gelungen, mehr als viermal mehr Strom pro Flächeneinheit zu erzeugen als mit herkömmlichen Technologien.

Insbesondere verfügt das neu entwickelte Metamaterial über eine dünne, flache Struktur, die etwa die Größe der Handfläche eines Erwachsenen hat, sodass es problemlos auf jeder Oberfläche angebracht werden kann, auf der Vibrationen auftreten. Da seine Struktur leicht an das Objekt angepasst werden kann, an dem es befestigt werden soll, ist sein Einsatzspektrum vielfältig und reicht von Diagnosesensoren, die Hochhäuser oder große Brücken auf Schäden prüfen, bis hin zu kleinen Biosensoren, die den Gesundheitszustand von Personen überwachen.

„Diese Forschung ist die erste auf der Welt, bei der es gelungen ist, Vibrationen mithilfe eines Oberflächenmetamaterials zu akkumulieren und zu verstärken, das Vibrationen vorübergehend einfängt“, sagte der leitende Forscher Lee Hyung Jin von der Gruppe für Akustik, Ultraschall und Vibrationsmetrologie am KRISS.

Auch der leitende Forscher Seung Hong Min von der Non-Destructive Metrology Group bekundete sein Interesse und kommentierte:„Metamaterialien können zur Entwicklung hochpräziser und hochempfindlicher Sensoren der nächsten Generation verwendet werden, indem ultrafeine Vibrationen, die mit herkömmlichen Sensoren schwer zu messen waren, stark verstärkt werden.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Eunhye Bae unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.