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5G- und 6G-Funkwellen transportieren künftig nicht nur Daten, sondern auch Energie. Neue Rotman-Linsen machen Batterien in Edge-Sensoren überflüssig.
Die flächendeckende Implementierung von Edge-Computing und dem Internet der Dinge steht in der industriellen Praxis vor einer logistischen Barriere. Während Rechenkapazitäten und Sensorik immer kleiner und kostengünstiger werden, bleibt die Energieversorgung der dezentralen Endgeräte ein ungelöstes Problem. Milliarden von IoT-Sensoren in Fabrikhallen, Logistikzentren oder intelligenten Gebäuden müssen kontinuierlich mit Strom versorgt werden.
Die Verkabelung tausender Messpunkte ist wirtschaftlich oft nicht darstellbar, während der Einsatz herkömmliche Batterien einen immensen Wartungsaufwand nach sich zieht. Der regelmäßige Austausch entladener Energiespeicher bindet personelle Ressourcen und verursacht erhebliche Mengen an Sondermüll. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet das sogenannte RF-Energy-Harvesting, bei dem die Energie aus den allgegenwärtigen Mobilfunkwellen der fünften und sechsten Generation gewonnen wird.
Richtungsabhängigkeit hochfrequenter Signale als physikalische Barriere
Das Prinzip, Energie aus Radiowellen zu gewinnen, ist theoretisch seit langem bekannt, scheiterte in der Praxis jedoch an der geringen Energiedichte herkömmlicher Mobilfunknetze. Erst mit der Einführung von 5G im Millimeterwellen-Bereich, den sogenannten mmWave-Frequenzen, hat sich die Ausgangslage verändert. Die US-amerikanische Federal Communications Commission hat Netzbetreibern erlaubt, die Energie in diesen Frequenzbändern deutlich dichter zu bündeln als bei älteren Mobilfunkstandards. Diese extrem hochfrequenten Signale, die sich meist im Bereich von 28 Gigahertz bewegen, transportieren eine weitaus höhere Energiemenge pro Raumeinheit.
Die Nutzung dieser Energie war jedoch bislang an eine fundamentale Bedingung geknüpft: Es musste eine direkte Sichtverbindung und eine exakte Ausrichtung zwischen der Sendeantenne und dem Empfänger vorliegen. Da Millimeterwellen sehr empfindlich auf Hindernisse reagieren und sich geradlinig ausbreiten, verloren klassische Erntesysteme sofort ihre Funktion, sobald sich das IoT-Gerät bewegte oder der Signalwinkel variierte. Für industrielle Anwendungen, bei denen Sensoren flexibel platziert werden müssen, war diese Technologie daher unbrauchbar.
Optischer Ansatz der Rotman-Linse löst das Ausrichtungsproblem
Ein Forschungsteam des Georgia Institute of Technology hat diese physikalische Limitierung durch den Einsatz einer speziellen Antennenarchitektur durchbrochen. Die Wissenschaftler entwickelten eine biconvexe dielektrische Linse, die auf dem Prinzip der Rotman-Linse basiert. Diese Technologie funktioniert im Hochfrequenzbereich ähnlich wie ein optisches Brennglas, das einfallendes Licht aus verschiedenen Winkeln auf einen einzigen Punkt fokussiert.
Die Rotman-Linse sammelt die Millimeterwellen aus einem weiten Winkelbereich von fast 360 Grad und bündelt sie auf ein kompaktes Antennenarray, ohne dass das System physisch nachgeführt werden muss. Durch diese dreidimensionale Erfassung der Umgebungssignale ist es unerheblich, wo sich die nächste 5G-Basisstation befindet. Das System erreicht eine einundzwanzigfache Steigerung der geernteten Energie im Vergleich zu herkömmlichen omnidirektionalen Empfängern, während die breite Winkelabdeckung vollständig erhalten bleibt. Die Antennenstrukturen lassen sich zudem über präzise Tintenstrahl- oder 3D-Druckverfahren auf flexiblen Trägermaterialien herstellen, was die Produktionskosten für den industriellen Massenmarkt drastisch senkt.
Messdaten belegen stabile Energieversorgung über Distanzen
Die Leistungsdaten der am Georgia Institute of Technology entwickelten Prototypen zeigen, dass die Technologie die Schwelle vom Laboraufbau zur praktischen Anwendung überschritten hat. Beim Betrieb im 28-Gigahertz-Band konnte ein skaliertes System in einer quadratischen Anordnung eine stabile Leistung von 82 Milliwatt aus der Luft gewinnen. Unter theoretischen Bedingungen und bei Ausnutzung der maximal zulässigen regulatorischen Sendeleistungen der Mobilfunkstationen sind sogar Werte von über 100 Milliwatt realisierbar.
Diese Energiemenge reicht problemlos aus, um nicht nur einfache passive RFID-Tags, sondern aktive Mikrocontroller, Temperatursensoren oder drahtlose Transceiver kontinuierlich zu betreiben. Die Reichweite für eine zuverlässige Energieübertragung liegt bei diesen Feldversuchen bei bis zu 120 Metern. Im Nahbereich arbeiten die Sensoren im stabilen Mikrowatt- und Milliwatt-Bereich, wodurch die Datenübertragung und die Energieversorgung simultan über dasselbe Frequenzband abgewickelt werden können. Das Gerät nutzt das 5G-Signal zur Kommunikation und zieht gleichzeitig seinen Betriebsstrom daraus.
Praktische Anwendungsszenarien im Smart Building und in der Industrie
In modernen Industrie-4.0-Umgebungen eröffnet die batterielose Energieversorgung völlig neue Architekturpfade für das IT- und Facility-Management. In einer Smart Factory können hunderte Vibrations-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren direkt an beweglichen Maschinenteilen, Rohrleitungen oder in schwer zugänglichen Kabelschächten montiert werden. Da weder Stromkabel verlegt noch Batteriefächer zugänglich sein müssen, sinken die Installations- und Betriebskosten auf ein Minimum.
Auch im Bereich der Gebäudeautomatisierung bietet das Verfahren signifikante Vorteile. Sensoren zur Überwachung der Luftqualität, der Raumtemperatur oder der Präsenz von Mitarbeitern werden einfach an Wänden oder Decken festgeklebt. Die Energieversorgung erfolgt passiv über die ohnehin für die Mobilfunkversorgung installierten Small Cells innerhalb des Gebäudes. Einmal installiert, verbleiben die Sensoren über Jahrzehnte wartungsfrei an Ort und Stelle, da keine chemische Alterung von Akkuzellen den Lebenszyklus des Endgeräts begrenzt.
Mobilfunkbetreiber vor dem Einstieg in das Geschäftsmodell Power as a Service
Die technologische Möglichkeit, Energie über das Mobilfunknetz zu übertragen, verändert auch das wirtschaftliche Ökosystem der Telekommunikationsanbieter. Die Betreiber von 5G- und kommenden 6G-Infrastrukturen investieren erhebliche Summen in den Aufbau engmaschiger Kleinzellen-Netze in urbanen Räumen und Industriegebieten. Über das Energy Harvesting lässt sich diese Netzinfrastruktur zweifach monetarisieren.
Neben dem reinen Datentransport können Mobilfunkbetreiber künftig das Modell Power as a Service anbieten. Unternehmen mieten dann nicht mehr nur Bandbreite und SIM-Karten für ihre IoT-Flotten, sondern erwerben Kontingente für die drahtlose Energieversorgung ihrer dezentralen Edge-Infrastruktur. Dies schafft eine neue Schnittstelle zwischen der IT-Infrastruktur und dem Energiemanagement von Unternehmen. Gleichzeitig liefert das Verfahren einen Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Informationstechnik, da die massenhafte Produktion und Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien im IoT-Sektor konsequent vermieden wird.
