Schallwellen treiben Stromgenerator an

Wer elektrische Geräte ohne Steckdose betreiben will, braucht gute Akkus oder mobile Minikraftwerke. Doch Sensoren – etwa zur Messung von Temperaturen oder anderer Umweltdaten – brauchen so wenig Strom, dass sogar Geräusche als Energiequelle ausreichen können. Dazu entwickelten nun chinesische Forscher einen akustischen Generator, der durch Schallwellen über einen breiten Frequenzbereich angetrieben wird. Ihren Prototyp stellten sie in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ vor.

„Zusätzlich zu Wind, Bewegungen oder magnetischen Feldern hat das Interesse an akustischer Energie als allgegenwärtige Energiequelle in der Umwelt zugenommen“, berichten Xiao Peng und seine Kollegen von der Chongqing Universität. Um Umgebungsschall nutzen zu können, braucht es sehr spezielle Minikraftwerke. Dazu baute das Forscherteam einen akustischen Generator, der über von Schallwellen verursachte Vibrationen kleine Ströme erzeugen konnte. Es montierte dazu ein Piezoelement aus Blei-Zirkonat-Titanat auf eine dünne Scheibe. Diese lagerte das Team in einen Zylinder, in den es die Schallwellen führte, die zuvor durch eine bis zu zwei Meter lange Röhre verstärkt wurden.

Akustischer Generator, bestehend aus einem metallischen Schallzylinder und Piezoscheibe.
Prototyp eines akustischen Generators

Für ihren Testlauf beschallten die Entwickler ihren 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 bei bestimmten Frequenzen auf, bei denen sich resonante Schwingungen aufbauten. Der Prototyp verfügte nun zusätzlich über einen verschiebbaren Stempel, um dieses Resonanzverhalten gezielt zu verändern. So traten über einen weiten Frequenzbereich von 1100 bis 1400 Hertz Vibrationen auf, die zur Stromerzeugung genutzt werden konnten. Bei Spannungen von bis zu 1,6 Volt flossen dabei Ströme mit einigen Mikrowatt Leistung.

Das Prinzip akustischer Generatoren ist allerdings nicht neu und schon zuvor erreichten anderen Modelle bereits deutlich höhere Stromausbeuten mit bis zu einigen Milliwatt Leistung. Doch stellten sich diese Werte nur bei einzelnen, festen Frequenzen ein. Das neue Prinzip einer Schallkammer mit verschiebbarem Stempel zeigte, dass sich akustische Generatoren variabel an die verfügbaren Schallquellen anpassen ließen. Diese Ansätze für eine „Ernte“ geringer Ströme könnten einen Nutzen zum Betrieb autarker Umweltsensoren haben. Allerdings stehen sie in Konkurrenz zu immer besser werdenden Akkus, die zu potenziell geringeren Kosten eine schwache Stromversorgung auch über Jahre gewährleisten könnten.