Mit Power unterwegs

Filme sehen auf Handy oder Laptop, navigieren mit dem PDA – die mobilen Begleiter werden immer intelligenter und brauchen dazu zunehmend mehr Energie. Damit nicht plötzlich unterwegs der Bildschirm schwarz wird oder die Musik abbricht, forschen Fraunhofer-Wissenschaftler unter dem Stichwort Mikroenergietechnik an Technologien für die mobile Energieversorgung moderner Kommunikationsgeräte. Neueste Beispiele sind auf der Hannover-Messe in Halle 2, am Stand »Perspektiven für Zukunftsmärkte« D22, zu sehen.

»Bitte speichern Sie Ihre Daten, der Laptop wird heruntergefahren« – für jeden, der Dienstreisen zum Arbeiten nutzt und gerade mühsam im Zug eine neue Kalkulation erarbeitet oder einen wichtigen Beitrag geschrieben hat, ist der drohende Datenverlust ärgerlich. Tragbare elektronische Geräte weisen mit jeder neuen Produktgeneration neue Funktionalitäten zur Datenaufnahme und Datenbearbeitung auf und auch die Übertragungsraten sind zwischenzeitlich für Filme oder Fußballspiele geeignet. Darunter leiden die Betriebszeiten. Ohne Steckdose ist beispielsweise am Laptop je nach Qualität des Akkus nach zwei bis drei Stunden Schluss. UMTS-Handys müssen bei entsprechender Nutzung mindestens einmal täglich nachgeladen werden, MP3-Player halten je nach Akku auch nur einen Schultag.

Unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE arbeiten Wissenschaftler aus verschiedenen Instituten an Technologien, mit denen sich höhere Energiedichten erreichen lassen und die in Kombination mit Batterien in hybriden Energiesystemen die Betriebszeiten verlängern. Auf der Hannover-Messe stellen die Forscher sowohl neue Energiespeicher als auch Mikrobrennstoffzellen oder Möglichkeiten des Energy-Harvesting – des »Erntens« verschiedener in der Umgebung vorhandener Energiequellen – vor.

Mikrobrennstoffzellen als chemische Energiewandler sind für die Forscher ein zentrales Thema bei der Stromversorgung mobiler Geräte. Die flache Mikrobrennstoffzelle aus dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beispielsweise besteht aus Polymer- und Metallfolien und basiert auf Waferlevel- und Folientechnologien. Dabei erzielen drei Einzelzellen, in Reihe geschaltet, eine Gesamtspannung von etwa 1.5 V, das reicht aus, um etwa herkömmliche Knopfzellen zu ersetzen. Auch das ISE präsentierte bereits einige Mikrobrennstoffzellensysteme in der Leistungsklasse von wenigen mW bis zu mehreren hundert Watt. Die Forscher verfolgen verschiedene Wege, um den Wasserstoff bereit zu stellen: Zum einen werden chemische Hydride wie Natriumborhydrid oder Borazan verwendet, um durch Zufuhr von Wärme bzw. Wasser oder mittels Katalysatoren Wasserstoff zu erzeugen. Zum anderen setzen die Wissenschaftler flüssiges Methanol ein, das in Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) in Wasserstoff umgewandelt wird. Eine weitere Möglichkeit bietet der Einsatz von Mikroreformern. Hier wird aus Kohlenwasserstoffen wie Ethanol, Diesel oder Flüssiggas Wasserstoff erzeugt.

Aus Licht, Wärme oder Bewegung Energie zu gewinnen, ist das Konzept des Energy Harvesting. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM nutzt zum Beispiel die Thermoelektrik: Durch den Wärmefluss – etwa am Handgelenk – wird Strom erzeugt. Namhafte Uhrenhersteller nutzen diese Technik zur Energieversorgung von Armbanduhren. Mikrointegrierte thermoelektrische Konverter können auch zur Kühlung elektronischer Bauteile verwendet werden.

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen hat ein induktives Ladeverfahren für Smart Cards entwickelt. Dabei wird der Chip über elektromagnetische Felder geladen – ähnlich der elektrischen Zahnbürste auf der Ladestation. Das Design spielt bei vielen Geräten eine große Rolle. Bisher müssen die Geräte oft um die Stromversorgung herum gebaut werden – etwa bei Laptops oder Camcordern. Dabei nimmt der Akku viel Platz ein. Forscher aus dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzhoe haben eine flexible biegsame Batterie entwickelt, die eine freiere Wahl der Gehäuseform erlaubt. So können Laptop oder PDA noch kleiner werden. Auch die Solarzellentechnik lässt sich in modernen mobilen Geräten nutzen. So stellen die ISE-Forscher ein Solarhandy vor, das mit geräteintegrierten, hocheffizienten Solarzellen einen Modulwirkungsgrad von über 20 Prozent erreicht. Damit werden Standby-Zeiten ohne Limit möglich, das Handy kann also immer angeschaltet bleiben. Ein solar versorgter PDA läuft ebenfalls autark.

Eine optimierte Energieversorgung wird zukünftig immer häufiger mehrere Technologien zur Stromerzeugung mit einem elektrischen Zwischenspeicher vorsehen. Um eine bestmögliche Energieausnutzung bei höchster Effizienz zu realisieren ist ein intelligentes Powermanagement erforderlich. Ziel ist es, die Energie zu koppeln, die Batterien, Solarzellen, Thermoelektrik oder Brennstoffzellen in einem Gerät liefern. Dabei greift der Laptop etwa auf die Brennstoffzelle zu, wenn die Batterie entladen ist, die wiederum bei entsprechenden Einstrahlungsverhältnissen permanent durch die Solarzellen nachgeladen wird. Das Powermanagement gewährleistet immer eine optimale Energieversorgung für MP3-Player, Handy oder Laptop.