Energy Harvesting Batterieloses Handy speist sich komplett aus Licht und Funkwellen

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Forscher der Universität Washington haben das erste Handy entwickelt, das komplett auf eine Batterie verzichten kann. Das aus handelsüblichen Komponenten entwickelte Gerät bezieht die wenigen Mikrowatt Energie, die es zum schnurlosen Telefonieren benötigt, komplett aus der Umgebung – durch Umwandlung von Licht oder Radiowellen.

„Wir haben das vermutlich erste Mobiltelefon entwickelt, das nahezu keine Energie benötigt,“ sagt Shyam Gollakota, ein außerordentlicher Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering der Universität Washington und einer der Erfinder des betreffenden Geräts.

Dem Entwicklerteam ist es gelungen, ein schnurloses Handy zu bauen, das komplett ohne Ladestationen oder Batterien auskommt. Damit ist es in der Lage, Anrufe über den Messaging-Dienst Skype zu tätigen oder anzunehmen. Für den Betrieb, der Sprachaufnahme, Ansteuerung von Kopfhörern sowie Up- und Downlink des Kommunikationsstreams umfasst, sorgt einzig das umgebende Licht sowie das „ernten“ von Radiowellen.

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Um ein Handy zu entwickeln, das einzig und allein mit Energy Harvesting für die komplette Dauer eines Gesprächs versorgt werden kann, mussten die Entwickler das grundsätzliche Design dieser Gerätegattung überdenken – und auch die übliche Funktionsweise von anderen Geräten, die sich auf Energy Harvesting verlassen.

Denn Wearables, die Energy Harvesting nutzen – Temperatursensoren oder Feuchtigkeitsmesser etwa – sparen in der Regel Energie, in dem sie immer nur punktuell aktiv sind und anschließend für längere Zeit in einen Sleep-Modus wechseln – ein Vorgang, der für ein Telefongespräch nicht praktikabel ist.

„Man kann nicht einfach schnell ‚Hallo‘ sagen und anschließend minutenlang warten, bis wieder genug Energie für einen Übertragungsvorgang zur Verfügung steht“, beschreibt UW-Doktorand Bryce Kellogg, einer der Entwickler und Co-Autor der begleitenden Studie, die Problematik. „Das war unsere größte Herausforderung. Die Energiemenge, die durch in der Umgebung vorhandene Radiowellen oder Licht bezogen werden kann, beträgt in der Regel zwischen einem und 10 Mikrowatt.“ Um hiermit die Echtzeittätigkeiten eines Telefons zu gewährleisten mussten neue Ansätze für die Konstruktion eines Mobiltelefons gefunden werden.

Eine der größten Anforderungen, die den Stromverbrauch eines Mobiltelefons in die Höhe treibt, ist der Analog-Digital-Wandler, die Umsetzung von Geräuschen in digitale Signale. Das an der Universität Washington entwickelte Gerät verzichtet komplett auf einen solchen ADU.

Stattdessen werden direkt die Vibrationen ausgenutzt, die am Mikrofon oder am Lautsprecher des Handys auftreten, wenn jemand in das Telefon spricht oder einem Gespräch lauscht. Eine Antenne, die an diesen Komponenten angebracht ist, nimmt diese Schwingungen auf und setzt sie in Veränderungen im üblichen analogen Funksignal, das von einem Mobilfunksender ausgeht, um.

Auf diese Weise, so die Forscher, werden Sprachmuster direkt auf analogem Weg in Funkwellen übertragen, ohne dass hierfür viel Energie notwendig wäre.

Um ein Gespräch zu senden, werden die Vibrationen des enthaltenen Mikrophons genutzt, um Sprache in Funkwellen umzusetzen. Zum Empfangen werden diese eingebetteten Signale in Vibrationen umgesetzt, die vom Lautsprecher des Handys aufgenommen werden.

Zwischen Empfangs- und Sendemodus muss im entsprechenden Prototypen noch manuell gewechselt werden: Indem der Anwender am Prototypen einen entsprechenden Knopf drückt, schaltet das Gerät zwischen den entsprechenden Modi um.

Vollständig ohne Energie kommt das Mobiltelefon nicht aus: Nach Angaben des Entwicklerteams besitzt der Prototyp für den Betrieb einen Strombedarf von 3,5 Mikrowatt. Dieser kann komplett via Energy Harvesting gedeckt werden.

Die Forscher nutzten hierfür zwei unterschiedliche Quellen: So kann der Prototyp beispielsweise Energie von Radiowellen beziehen, die von einer bis zu 31 Fuß (ca. 9,5 Meter) entfernten Basisstation ausgesendet werden. Unter Ausnutzung einer Photovoltaischen Zelle kann die Entfernung zur Kommunikation mit dem Mobilfunksender sogar bis zu 50 Meter (etwas über 15 Meter) betragen.

Zum Empfang und zum Übertragen der Gespräche hat das Entwicklerteam noch eine eigene Basisstation für die Geräte angefertigt. Das batterielose Telefon, das in einer im Fachjournal Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies (PACM IMWUT) erschienenen Studie näher beschrieben ist, besteht generell aus handelsüblichen Bauteilen auf einer Leiterplatte.

Ohne speziell entwickelte Bauteile erfüllt es auf Basis allgemein verfügbarer Technologie über alle nötigen Grundfunktionen eines Telefons: Mittels Skype-Verbindung können Gespräche gesendet und empfangen werden, über induktive Flächen auf dem PCB werden Nummern für die Verbindung gewählt.

Da Skype für den Verbindungsaufbau genutzt wird, sind auch Funktionen wie etwa einen Anrufer in eine Warteschleife zu senden oder an andere Gesprächspartner zu übergeben möglich.

Im nächsten Schritt plant die Forschungsgruppe, die Reichweite des batterielosen Mobiltelefons im Abstand zur Basisstation zu verbessern und eine Methode zu finden, die Gespräche sicher zu verschlüsseln. Die Entwickler arbeiten außerdem an einer Methode, Videos auf einem batterielosen Wearable zu übertragen und zu empfangen. Um den Energiebedarf möglichst gering zu halten, soll dabei ein energiesparendes E-Paper als Display dienen.

Dieser Beitrag erschien zuerst in unserem PartnerportalElektronikpraxis.

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