Energy-Harvesting

Die Technologie von Sicherungssystemen hat sich in den letzten Jahren sowohl im mobilen wie auch im immobilen Bereich stark verändert. Von mechanischen Schlüssel-Schloss Systemen über erste Türöffner mit Funkunterstützung bis hin zu heutigen mechatronischen Systemen. Diese Systeme verfügen über eine funkbasierte Einheit zur Authentifizierung und durch Aktoren automatisierte Verriegelungen. Der Fokus verschiebt sich in der letzten Zeit weg von der reinen Funktion der Sicherheitstechnologie hin zu Überlegungen, wie diese Funktionen möglichst energieeffizient umgesetzt werden können.

Energieeffizienz ist in mobilen Anwendungen vorteilhaft für die Reichweite von gewichtsoptimierten Elektroautomobilen. Im immobilen Einsatz in Gebäuden werden für batteriebetriebene Transpondertechnologien längere Wartungsintervalle bis hin zu energieautarken Systemlösungen möglich.

Entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung solcher Systeme sind die Energiewandlung aus verfügbaren Energieströmen der Umwelt (Energy-Harvesting) einerseits sowie ein möglichst effizienter Einsatz der erzeugten bzw. gewandelten Energie (Powermanagement) andererseits. Dies erfordert neue Lösungen im Hinblick auf die Herausforderungen der Energiewandlung und Versorgung, der sicheren kabellosen Authentifizierung und Kommunikation sowie der energieeffizienten Umsetzung der Verriegelung und aller weiteren geforderten technischen Eigenschaften.

Im Rahmen unserer Forschungsaktivitäten sollen beide Aspekte an mobilen und immobilen Sicherungssystemen behandelt werden. Entwickelte Lösungsansätze und –varianten sollen mit Industriepartnern aus dem Bereich der Sicherheitstechnologien demonstriert werden.

Die obige Abbildung zeigt einen ersten Lösungsansatz bestehend aus einem Schloss und handelsüblichen Energy Harvesting Komponenten, etwa aus Taschenlampen. Mit einer Getriebeübersetzung von 1:50, einem einfachen Freilauf, sowie einem Drehstromgenerator können momentan etwa 100 mWs pro Klinkendruck "geerntet" werden. Diese werden in einem Akku zwischengespeichert, der wiederum den Schließzylinder mit Strom versorgt.

Innovative Aktorik

Die Forschungsaktivitäten des Instituts für Sicherungssysteme auf dem Gebiet der  Formgedächtnislegierungen sollen das hohe Anwendungspotential dieser Technologie in Sicherungssystemen – in mobilen wie immobilen Segmenten – zeigen. Kooperationspartner bei diesen Forschungsaktivitäten ist die FG-Innovation, ein Unternehmen, das aus dem Sonderforschungsbereich (SFB) 459 "Formgedächtnistechnik" an der Ruhr-Universität Bochum hervorgegangen ist.

Entscheidend für die Realisierung energieeffizienter Systeme ist die Reduzierung des Energiebedarfs der Systeme. Dieser wird bei den klassischen mechatronischen Sicherungssystemen z.B. durch die verwendeten Elektromotoren und Getriebe (Aktorik), die innere Reibung und andere Verlustmechanismen, sowie die Funkkommunikation (mit Kryptologie) und das Power-Management (Elektronik) bestimmt. Neue Materialien – insbesondere Formgedächtnislegierungen – können auf einfache Art Elektromotoren und Getriebe ersetzen und so die Sicherungssysteme (insbesondere Verriegelungen) revolutionieren. Bisherige Lösungen sind allerdings wenig energieeffizient und haben weitere Nachteile, die einen Produkteinsatz verhindern.

Neue Konzepte für die Verriegelung mit FGL-Aktorik sollen diese technologische Hürde überwinden. Dabei kommt es besonders auf verlustarme FG-Materialien an (R-Phase), die erst seit kurzem verfügbar sind und vom Kooperationspartner des ISS, der FG-Innovation weiterentwickelt werden.

In Verbindung mit einer optimalen Auslegung und Konstruktion, sowie intelligentem Power-Management können große Einsparungen realisiert werden.