Strom aus Schallwellen
Akustische Energie lässt sich mit neuem Design über einen weiten Frequenzbereich zur Stromgewinnung nutzen.
Sonnenlicht, Wärme, Bewegung und Wind sind die meist genutzten Energiequellen für eine autarke Stromversorgung ohne Netzanschluss. Doch auch aus Schallwellen lassen sich zumindest geringe Ströme von einigen Milliwatt gewinnen. Das reicht zum Betrieb von Sensoren oder auch Speicherchips aus. Um akustische Energie effizienter zu „ernten“, entwickelten nun chinesische Wissenschaftler von der Chongqing Universität einen Generator, der erstmals über einen weiteren Frequenzbereich aus Schallwellen Strom erzeugt.
Abb.: Prototyp des akustischen Generators: Über den Stempel (piston) wird das Resonanzverhalten in einer Schallkammer so verändert, dass aus einem breiten Frequenzbereich Schall Vibrationen und über eine Piezoelement schließlich Strom erzeugt. (Bild: Chongqing U. / AIP)
Für die Stromerzeugung mit akustischen Generatoren sind ebenso wie bei anderen Konzepten für Minikraftwerke piezoelektrische Elemente verantwortlich. Steht keine Bewegungsenergie zur Verfügung, können auch über von Schallwellen verursachte Vibrationen kleine Ströme geerntet werden. Xiao Peng und seine Kollegen montierten dazu ein Piezoelement aus Blei-Zirkonat-Titanat auf eine dünne Scheibe. Diese lagerten sie in einen Zylinder, in den sie die Schallwellen führten, die zuvor durch einen bis zu zwei Meter langen Helmholtz-Resonator verstärkt wurden. Das Resonanzverhalten der Scheibe und des Zylinders lässt sich über einen verschiebbaren Stempel variabel verändern.
Für ihren Testlauf beschallte das Forscherteam seinen akustischen Generator mit relativ hohen Tönen zwischen 800 und 1600 Hertz bei einem konstanten Schalldruck von 100 Dezibel. Die stärksten Vibrationen der Piezoscheibe und des Schallzylinders traten wie erwartet im Resonanzfall auf. Durch die Verschiebung des zusätzlichen Stempels konnten nun mehrere Resonanzmaxima so angenähert werden, dass über einen weiten Frequenzbereich von 1100 bis 1400 Hertz Vibrationen auftraten und somit Strom erzeugt werden konnte. Bei Spannungen von bis zu 1,6 Volt flossen dabei Ströme mit einigen Mikrowatt Leistung.
Andere akustische Generatoren erreichten bereits deutlich höhere Stromausbeuten von bis zu einigen Milliwatt Leistung. Doch stellten sich diese Werte nur in einem engbandigen Resonanzbereich ein. Das neue Prinzip einer Schallkammer mit verschiebbarem Stempel zeigt, dass sich akustische Generatoren variabel an die verfügbaren Schallquellen anpassen lassen. Ergänzt durch zusätzliche Piezoelemente ließe sich so auch die Stromausbeute des chinesischen Prototyps weiter steigern.
Diese Ansätze für eine Ernte geringer Ströme könnten einen Nutzen in einem Nischenbereich etwa für möglichst autarke Netzwerke von Umweltsensoren haben. Allerdings stehen sie in Konkurrenz zu immer besser werdenden Batteriespeichern, die zu potenziell geringeren Kosten eine schwache Stromversorgung auch über Jahre gewährleisten könnten.
Jan Oliver Löfken
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