Sensoren sind längst zu unscheinbaren Begleitern moderner Technik geworden. Sie messen Temperaturen in Gebäuden, überwachen Maschinen, registrieren Feuchtigkeit im Boden oder melden, ob Türen und Fenster geöffnet sind. Mit zunehmender Vernetzung entsteht jedoch ein Problem, das zunächst banal wirkt: Jeder dieser Sensoren benötigt Energie. Bei einigen wenigen Geräten fällt der regelmäßige Batteriewechsel kaum ins Gewicht. Werden dagegen Tausende Sensoren in Industrieanlagen, Gebäuden oder auf weitläufigen Flächen installiert, entwickeln sich Batterien schnell zu einem erheblichen Wartungsfaktor.
Eine technische Alternative besteht darin, Sensoren so sparsam zu konstruieren, dass sie ihre benötigte Energie direkt aus ihrer Umgebung gewinnen können. Dieses Prinzip wird als Energy Harvesting bezeichnet. Dabei werden winzige Energiemengen genutzt, die ohnehin vorhanden sind: Licht, Wärmeunterschiede, mechanische Bewegung oder elektromagnetische Wellen. Besonders faszinierend ist die Möglichkeit, Funkwellen gleichzeitig als Energiequelle und als Träger für die Kommunikation zu verwenden. Damit nähert sich die Sensortechnik einem Zustand, in dem Geräte jahrelang oder sogar dauerhaft arbeiten können, ohne dass eine klassische Batterie gewechselt werden muss.
Energy Harvesting nutzt Energie, die bereits vorhanden ist
Energy Harvesting unterscheidet sich grundlegend von einer gewöhnlichen Stromversorgung. Es geht nicht darum, große Energiemengen bereitzustellen, sondern sehr geringe Mengen möglichst effizient einzusammeln und zu nutzen. Eine kleine Solarzelle kann beispielsweise das Licht in einem Raum verwerten, ein thermoelektrischer Generator einen Temperaturunterschied zwischen zwei Oberflächen ausnutzen und ein piezoelektrisches Element mechanische Schwingungen in elektrische Energie umwandeln. Bei extrem sparsamen Sensoren können bereits solche geringen Energiequellen ausreichen.
Entscheidend ist dabei nicht allein die Energiegewinnung. Auch die Elektronik muss auf minimalen Verbrauch ausgelegt sein. Ein Mikrocontroller kann deshalb den größten Teil seiner Zeit in einem tiefen Schlafzustand verbringen und nur für wenige Millisekunden aufwachen, um einen Messwert zu erfassen. Anschließend werden die Daten übertragen und das System legt sich wieder schlafen. Statt kontinuierlich Leistung aufzunehmen, arbeitet der Sensor in kurzen Aktivitätsphasen. Ein kleiner Kondensator oder Superkondensator kann die zuvor geerntete Energie sammeln und für diesen kurzen Moment zur Verfügung stellen.
Auch Funkwellen enthalten nutzbare Energie
Elektromagnetische Funkwellen transportieren Energie durch den Raum. Genau deshalb kann eine Antenne ein Funksignal empfangen. Normalerweise interessiert sich ein Empfänger hauptsächlich für die darin enthaltenen Informationen. Energy-Harvesting-Schaltungen gehen einen Schritt weiter und versuchen, einen Teil der empfangenen Hochfrequenzenergie in elektrische Gleichspannung umzuwandeln.
Dazu wird die von einer Antenne aufgenommene Hochfrequenz zunächst gleichgerichtet. Eine entsprechende Schaltung wird häufig als Rectenna bezeichnet, eine Kombination aus Rectifier und Antenna. Die gewonnene Spannung ist typischerweise sehr gering und muss durch speziell dafür entwickelte Schaltungen aufbereitet werden. Effiziente Spannungswandler und Energiespeicher sorgen anschließend dafür, dass ein Mikrocontroller oder eine einfache Sensorschaltung zumindest zeitweise betrieben werden kann. Das Prinzip erinnert damit entfernt an einen Solarrechner, nur dass nicht Licht, sondern elektromagnetische Energie gesammelt wird.
Warum WLAN nicht einfach zum drahtlosen Netzteil wird
Die Vorstellung, Geräte könnten überall Energie aus vorhandenen WLAN-, Mobilfunk- oder Rundfunksignalen beziehen, klingt zunächst nach einer nahezu unbegrenzten Stromquelle. In der Praxis sind die verfügbaren Energiemengen jedoch klein. Funkanlagen sind schließlich in erster Linie darauf ausgelegt, Informationen zu übertragen und nicht Geräte über größere Entfernungen mit elektrischer Leistung zu versorgen. Mit zunehmendem Abstand zum Sender sinkt die nutzbare Feldstärke deutlich.
Ein batterieloses Gerät muss deshalb mit wesentlich weniger Energie auskommen als ein gewöhnlicher WLAN-Sensor. Ein klassisches Funkmodul, das selbst ein starkes Hochfrequenzsignal erzeugt, wäre dafür häufig zu energiehungrig. Genau an diesem Punkt kommt eine wesentlich raffiniertere Technik ins Spiel: Statt selbst ein Funksignal zu erzeugen, kann ein Gerät ein bereits vorhandenes Signal verändern und reflektieren. Dieses Verfahren wird als Backscatter Communication bezeichnet.
Backscatter macht aus Reflexion eine Datenübertragung
Das Grundprinzip von Backscatter-Kommunikation ist bereits von RFID-Systemen bekannt. Ein passiver RFID-Transponder besitzt keinen leistungsstarken eigenen Funksender. Das Lesegerät erzeugt ein elektromagnetisches Feld, aus dem der Transponder Energie gewinnt. Für die Rückübertragung seiner Daten verändert der Transponder gezielt seine elektrischen Eigenschaften. Dadurch verändert sich auch die Art, wie das auftreffende Funksignal reflektiert wird. Das Lesegerät erkennt diese Veränderungen und kann daraus die übertragenen Informationen rekonstruieren.
Technisch geschieht dies durch eine Veränderung der Impedanz an der Antenne. Abhängig vom jeweiligen Schaltzustand wird ein größerer oder kleinerer Teil des eintreffenden Signals reflektiert. Wird zwischen diesen Zuständen kontrolliert gewechselt, entsteht eine Modulation. Das Gerät erzeugt also keinen eigenen starken Funkträger, sondern verändert lediglich einen vorhandenen. Dafür benötigt es erheblich weniger Energie als ein konventioneller Funksender.
Ambient Backscatter verwendet die Funkwelt als Infrastruktur
Noch ungewöhnlicher wird das Konzept beim sogenannten Ambient Backscatter. Ein klassisches RFID-System benötigt ein spezielles Lesegerät, das ein definiertes Funksignal bereitstellt. Ambient-Backscatter-Systeme versuchen dagegen, Funkwellen zu verwenden, die ohnehin durch die Umgebung laufen. Dazu können beispielsweise Signale von WLAN-Systemen, Rundfunksendern oder anderen Funkquellen gehören.
Ein winziger Sensor könnte ein solches Signal aufnehmen und seine Antenneneigenschaften abhängig von den zu übertragenden Daten verändern. Ein geeigneter Empfänger beobachtet wiederum die Veränderungen im Funksignal und versucht daraus die Informationen des Sensors zu rekonstruieren. Der eigentliche Sender des ursprünglichen Signals muss dabei nicht zwangsläufig Bestandteil des Sensornetzes sein. Aus einem ohnehin vorhandenen Funksignal wird damit gleichzeitig eine Ressource für eine zweite Kommunikation.
Das größte Problem ist das ursprüngliche Funksignal
Was theoretisch elegant klingt, stellt die Empfangstechnik vor erhebliche Schwierigkeiten. Das vom Sensor reflektierte Signal ist wesentlich schwächer als das ursprünglich ausgestrahlte Signal. Der Empfänger muss also eine kleine Veränderung innerhalb eines wesentlich stärkeren Funksignals erkennen. Hinzu kommen Reflexionen an Wänden, Möbeln, Maschinen oder Fahrzeugen sowie andere Funkquellen auf benachbarten Frequenzen.
Genau deshalb beschäftigt sich ein großer Teil der Forschung an Ambient Backscatter nicht nur mit der Energieversorgung, sondern mit Signalverarbeitung und Modulationsverfahren. Antennen, Empfänger und Algorithmen müssen gemeinsam dafür sorgen, dass die schwachen Veränderungen zuverlässig erkannt werden können. Reichweite und Datenrate können dabei nicht einfach mit gewöhnlichem WLAN verglichen werden. Für viele Sensoraufgaben ist eine hohe Datenrate allerdings gar nicht erforderlich. Ein Temperatursensor muss möglicherweise lediglich gelegentlich einen Messwert und seine Identifikation übertragen.
Kleine Datenmengen verändern die technischen Anforderungen
Viele IoT-Anwendungen benötigen überraschend wenig Kommunikation. Ein Sensor an einem Fenster muss im einfachsten Fall nur zwei Zustände melden: offen oder geschlossen. Ein Feuchtigkeitssensor kann einen Messwert in größeren Zeitabständen übertragen und ein Industriesensor muss möglicherweise lediglich melden, dass ein bestimmter Grenzwert überschritten wurde. Für solche Aufgaben ist ein permanenter breitbandiger Funkkanal unnötig.
Das verändert die gesamte Konstruktion. Statt Energie für kontinuierliche Kommunikation bereitzuhalten, kann ein Sensor Energie sammeln, einen Messwert erfassen, wenige Bytes übertragen und anschließend wieder praktisch vollständig abschalten. Genau diese Kombination aus Energy Harvesting, extrem sparsamer Elektronik und Backscatter-Kommunikation macht batterielose Sensornetze technisch interessant. Nicht jede Anwendung benötigt einen leistungsfähigen Computer am Messpunkt. Häufig reicht ein winziges Gerät, das eine sehr konkrete Aufgabe erfüllt.
Gebäude könnten mit wartungsarmen Sensoren übersät werden
Gerade in Gebäuden ist der Wartungsaufwand ein wichtiger Faktor. Einige Dutzend batteriebetriebene Sensoren lassen sich noch problemlos verwalten. Bei mehreren Tausend Messpunkten wird der regelmäßige Austausch von Batterien dagegen teuer. Hinzu kommen schwer erreichbare Einbauorte, beispielsweise in Zwischendecken, Fassaden, Lüftungssystemen oder technischen Schächten.
Batterielose Sensoren könnten dort Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, Belegung oder den Zustand technischer Komponenten erfassen. Die interessanteste Eigenschaft wäre dabei weniger die eingesparte elektrische Energie als die reduzierte Wartung. Ein Sensor, dessen Batterie niemals gewechselt werden muss, kann an Stellen eingebaut werden, an denen eine konventionelle Lösung wirtschaftlich kaum sinnvoll wäre. Dadurch könnte sich auch die Anzahl verfügbarer Messpunkte drastisch erhöhen.
In der Industrie zählt jede eingesparte Wartung
Noch deutlicher werden die Vorteile in industriellen Anlagen. Maschinen erzeugen Wärme, Vibrationen und elektromagnetische Felder – also mehrere potenzielle Energiequellen gleichzeitig. Ein Sensorknoten könnte beispielsweise Energie aus mechanischen Schwingungen gewinnen und damit Temperatur- oder Zustandsdaten erfassen. Andere Systeme könnten Licht oder Funkenergie nutzen.
Interessant wird das vor allem bei der nachträglichen Digitalisierung bestehender Anlagen. Nicht jede ältere Maschine besitzt umfangreiche digitale Schnittstellen. Kleine drahtlose Sensoren lassen sich dagegen vergleichsweise einfach ergänzen. Müssen anschließend keine Stromleitungen verlegt und keine Batterien regelmäßig gewechselt werden, sinkt der Aufwand erheblich. Aus einer ursprünglich rein mechanischen Komponente kann so ein Messpunkt innerhalb eines digitalen Überwachungssystems werden.
Landwirtschaft ist ein besonders anspruchsvolles Einsatzgebiet
Auch in der Landwirtschaft könnten weit verteilte, energieautarke Sensoren eine wichtige Rolle spielen. Bodenfeuchtigkeit, Temperatur oder andere Umweltparameter müssen häufig über große Flächen erfasst werden. Eine kabelgebundene Stromversorgung ist dort kaum praktikabel und regelmäßige Batteriewechsel an Hunderten Messstellen wären aufwendig.
Hier muss allerdings genau zwischen den verschiedenen Energy-Harvesting-Technologien unterschieden werden. Unter freiem Himmel bietet sich häufig Solarenergie an, während reine Energiegewinnung aus weit entfernten Funkquellen schwieriger sein kann. Besonders interessant sind deshalb hybride Systeme, die mehrere Energiequellen kombinieren. Ein Sensor kann beispielsweise tagsüber Lichtenergie sammeln und Funkkommunikation nur dann aktivieren, wenn ausreichend Energie gespeichert wurde. Energy Harvesting ist damit weniger eine einzelne Technologie als eine Sammlung verschiedener Verfahren, die abhängig vom Einsatzort kombiniert werden können.
Batterielos bedeutet nicht automatisch energiesorgenfrei
Der Begriff batterielos kann leicht den Eindruck vermitteln, ein Gerät verfüge jederzeit über unbegrenzt Energie. Tatsächlich ist häufig das Gegenteil der Fall. Ein energieautarker Sensor muss sehr genau mit seiner verfügbaren Leistung umgehen. Mehrere bewölkte Tage, eine veränderte Position, eine schwache Funkquelle oder geringe Temperaturunterschiede können die Energieausbeute reduzieren.
Deshalb spielt das Energiemanagement eine zentrale Rolle. Die Elektronik muss entscheiden, wann genügend Energie für eine Messung vorhanden ist und welche Funktionen gegebenenfalls verschoben werden können. In manchen Anwendungen können Messwerte zunächst lokal gesammelt und erst später übertragen werden. Andere Systeme reduzieren bei schlechter Energieversorgung ihre Messhäufigkeit. Der Sensor passt damit seine Aktivität an die gerade verfügbare Energie an.
Superkondensatoren können klassische Akkus ergänzen
Vollständig ohne Energiespeicher kommen viele Konzepte dennoch nicht aus. Statt einer Batterie können Kondensatoren oder Superkondensatoren verwendet werden. Sie speichern die gewonnene Energie und geben sie während kurzer Lastspitzen wieder ab. Dadurch lässt sich beispielsweise genügend Leistung für eine Messung oder Datenübertragung bereitstellen, obwohl die Energiequelle kontinuierlich nur sehr wenig Leistung liefert.
Der technische Unterschied ist entscheidend: Die Energie muss nicht für Monate oder Jahre gespeichert werden, sondern teilweise nur für Sekunden, Minuten oder Stunden. Dadurch ändern sich die Anforderungen an Kapazität, Lebensdauer und Ladeelektronik. Auch hybride Systeme mit kleinen wiederaufladbaren Energiespeichern sind möglich. Das Ziel besteht nicht zwingend darin, jedes chemische Speicherelement vollständig zu eliminieren, sondern Wartungsintervalle und Materialaufwand erheblich zu reduzieren.
Die unsichtbare Infrastruktur des Internet of Things
Die große Bedeutung batterieloser Sensoren liegt möglicherweise weniger in spektakulären Einzelgeräten als in ihrer schieren Menge. Viele Visionen des Internet of Things setzen voraus, dass Informationen an Orten erfasst werden, an denen heute überhaupt keine Elektronik installiert ist. Jede zusätzliche Stromleitung und jede Batterie erhöht jedoch Kosten und Wartungsaufwand. Wird dieser Aufwand reduziert, können deutlich mehr Dinge zu Datenquellen werden.
Denkbar sind Verpackungen, die ihren Zustand erfassen, Gebäudeteile mit integrierter Sensorik, Maschinenkomponenten mit eigener Zustandsüberwachung oder Logistikobjekte, die bestimmte Umweltbedingungen registrieren. Die Elektronik muss dafür nicht leistungsfähiger, sondern teilweise sogar radikal einfacher werden. Eine der spannendsten Entwicklungen moderner Sensortechnik besteht deshalb ausgerechnet darin, mit immer weniger Energie immer mehr Informationen verfügbar zu machen.
Funkwellen werden vom Datenträger zur Ressource
Über Jahrzehnte bestand die wichtigste Aufgabe einer Funkwelle darin, Informationen von einem Sender zu einem Empfänger zu transportieren. Energy Harvesting und Ambient Backscatter erweitern diese Rolle. Das elektromagnetische Feld wird gleichzeitig Energiequelle, Kommunikationsmedium und technische Ressource für weitere Geräte.
Damit entsteht eine ungewöhnliche Umkehr klassischer Funktechnik. Nicht jedes Gerät benötigt einen eigenen leistungsfähigen Sender und nicht jeder Sensor braucht eine dauerhaft verfügbare Stromversorgung. Ein Teil der zukünftigen vernetzten Welt könnte aus extrem einfachen Geräten bestehen, die lediglich Energie sammeln, ihre Umgebung messen und vorhandene elektromagnetische Signale geschickt verändern. Gerade weil diese Technik im Hintergrund nahezu unsichtbar arbeitet, könnte sie langfristig zu einer wichtigen Grundlage sehr großer Sensornetze werden.