Energieautarke Flugzeug-Sensoren und gedruckte thermoelektrische Generatoren

Mit thermoelektrischen Generatoren Temperaturdifferenzen sinnvoll nutzen

23. April 2013, 14:35 Uhr   |  Nicole Wörner

Mit thermoelektrischen Generatoren Temperaturdifferenzen sinnvoll nutzen
© TU Wien

Dank des neuen Energy-Harvesting-Moduls der TU Wien und der EADS Innovation Works sollen im Flugzeug verbaute Sensoren künftig ohne Batterie und Kabel auskommen.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) gewinnen Energie aus Temperaturunterschieden in der Umwelt und sind damit einer der Schlüssel für Energy Harvesting. Dies machten sich Wissenschaftler nun zunutze, um Sensoren in Flugzeugen energieautark zu betreiben.

Und auch in der Herstellung der TEG tut sich einiges: Ein auf 3D-Druck basierendes Verfahren soll die Bauteile deutlich preisgünstiger und umweltverträglicher machen.

Die TU Wien und EADS Innovation Works haben gemeinsam ein Energy-Harvesting-Modul entwickelt, das künftig an der Flugzeughülle verbaute Sensoren mit elektrischem Strom versorgen soll. Die wie ein Nervensystem aufgebauten Sensornetze sollen alle wichtigen Daten auf der Flugzeughülle registrieren und per Funk weiterleiten. »Ein solches Sensorsystem hat offensichtlich große Vorteile«, erklärt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. »Das Hauptproblem liegt allerdings in der Energieversorgung. Herkömmliche Batterien sind für die großen Temperaturwechsel, denen ein Flugzeug permanent ausgesetzt ist, nicht ausgelegt. Außerdem will niemand regelmäßig all die Sensorbatterien im ganzen Flugzeug auswechseln. Eine Verkabelung wiederum würde das Flugzeuggewicht empfindlich erhöhen.« Zusammen mit EADS entwickelte er daher eine Methode, direkt an der Flugzeugwand elektrische Energie für die Sensoren zu gewinnen, und zwar aus dem Temperaturunterschied zwischen eisigen Höhen und wärmerer Bodenluft.

Das Prinzip ist einfach: Wenn zwei Punkte, an denen unterschiedliche Temperaturen herrschen, mit zwei verschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien verbunden werden, kann elektrische Spannung entstehen - dieses Phänomen bezeichnet man als Seebeck-Effekt. Die Außenwand des Flugzeugs macht bei Start und Landung eine massive Temperaturänderung durch, dabei entstehen Temperaturunterschiede zwischen der Außen- und der Innenseite der Wand. »Optimal nutzen können wir das durch einen kleinen Wärmespeicher«, erklärt Alexandros Elefsiniotis, Dissertant am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. »Ein Wasserreservoir mit etwa zehn Kubikzentimetern Fassungsvermögen wird aufgewärmt, wenn das Flugzeug am Boden steht und speichert die Wärme, so dass hoch in der Luft damit Strom erzeugt werden kann.« Während des Fluges kühlt das Wasser ab und friert ein. Bei der Landung ist dann die Außenseite des Flugzeuges wärmer als das Wasserreservoir, derselbe Effekt kann in umgekehrter Richtung noch einmal genutzt werden. Durch eigens entwickelte elektronische Schaltungen wird sichergestellt, dass die zeitlich fluktuierenden Thermoströme in einen gleichmäßigen Strom mit ausreichend hoher Spannung umgewandelt werden, mit dem ein Sensor stundenlang versorgt werden kann.

Die neuen Energy-Harvesting-Module wurden bereits in realen Testflügen auf Airbus-Flugzeugen getestet. »Wir konnten pro Flug etwa 23 Joule Energie gewinnen - für den Sensorbetrieb reicht das aus«, so Elefsiniotis. »Je nach Außentemperatur könnten auch andere Materialien oder andere Flüssigkeiten als Wasser besser geeignet sein - derzeit forschen wir noch an passenden Strategien für Extremfälle, etwa für Flugrouten in sehr kalten Regionen.«

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