Die Chinesische Akademie der Wissenschaften hat mit Hilfe von 3D-Druck einen neuartigen Nanogenerator entwickelt, der eine autarke Überwachung autonomer Fahrzeuge möglich machen soll. Die mechanische Rotationsenergie könnte eine Alternative zu herkömmlichen Batterien bieten. Wir fassen das Wichtigste dazu zusammen.

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An der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gelang Forschern der 3D-Druck eines neuartigen Nanogenerators namens „BS-TENG“, der autarke Überwachung autonomer Fahrzeuge ermöglichen soll. Der winzige 70-mm-triboelektrische Nanogenerator (TENG) verfügt über ein einzigartiges Lagerstruktur-Design (BS), mit dem er mechanische Energie sammeln und als autarkes Sensorgerät fungieren kann. Bei bis zu 1.500 U/min erreicht er eine Spitzenleistung von 0,96 mW. Damit lassen sich 50 LEDs versorgen oder die thermische und Geschwindigkeitsüberwachung von Künstlicher Intelligenz (KI) gesteuerten Fahrzeugen ermöglichen. Ihre Arbeit dazu haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „3D-printed bearing structural triboelectric nanogenerator for intelligent vehicle monitoring“ im Cell Reports Physical Science Journal veröffentlicht.

Details zur Entwicklung

Auto der Zukunft
Die mechanische Rotationsenergie könnte eine Alternative zu herkömmlichen Batterien bieten (Bild © Cell Reports Physical Science Journal).

Da sich KIs zunehmend an Nutzfahrzeuge annähern, nimmt auch die Frage nach der nachhaltigen Antriebskraft zu. Fortschrittliche Verarbeitungssysteme sorgen bei autonomen Autos für mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit. Sie benötigen jedoch nicht erneuerbare Batterien und Stromknoten. Oft müssen Systeme auch zeitaufwendig geladen und in komplexe Netzwerke integriert werden. Das wiederum erhöht die Gesamtkosten für Entwicklung und Produktion für die Automobilhersteller deutlich.

Die mechanische Rotationsenergie könnte eine Alternative zu herkömmlichen Batterien bieten. Diese wird beim Drehen und Bremsen des Fahrzeugs erzeugt und kann genutzt und eingesetzt werden, um interne Fahrzeugüberwachungssysteme mit Strom zu versorgen. Die begrenzte Energieumwandlung bestehender Technologien, neben den Anforderungen von KI-Fahrzeugen, könnte die breitere Akzeptanz verhindern, weshalb ein neuer Sammelansatz geplant wurde, damit das Sensorsystem sichereres Fahren automatisierter Fahrzeuge möglich macht.

Details zum 3D-gedruckten Nanogenerator aus Rotor und Stator

Sie nutzten den 3D-Druck, um diesen neuen Ansatz umzusetzen. Es entstand ein Nanogenerator aus Rotor und Stator die auf Acrylplatten geklebt sind. Ersterer besitzt einen gedruckten Rahmen, in dem sich abwechselnd PTFE-Walzen drehen, um Elektroden zu verbinden und elektrostatische Ladungen zu erzeugen. Der Prototyp-Rotor war nur 3,6 mm hoch. Indem sie die zwei Rotoren mit einem Acrylrohr zu einem Doppel-BS-TENG verschmolzen, schufen sie Platz für die 6-mm-Rollen des Geräts. In Tests zeigte sich, dass der resultierende Nanogenerator eine hohe und stabile Leistung bei 100 bis 1.500 U / min erzielt. Für die Forscher bedeutete das, dass er für die „mechanische Energiegewinnung durch Radrotation“ verwendet werden könnte.

Nanogenerator im Detail
In diesen Tests zeigte sich, dass die Nanogeneratoren einen Temperatursensor kontinuierlich betreiben können, der bei einer bestimmten Temperatur einen „Alarm“ auslöst (im Bild: Inneres des Nanogenerators)(Bild © Cell Reports Physical Science Journal).

Sie integrierten ihr Gerät in ein batterieloses Fahrzeugüberwachungs- oder „SPVM“-System aus vier Doppel-BS-TENGs, fünf Zahnrädern und zwei Acrylplatten. In diesen Tests zeigte sich, dass die Nanogeneratoren einen Temperatursensor kontinuierlich betreiben können, der bei einer bestimmten Temperatur einen „Alarm“ auslöst. Der SPVM konnte außerdem verwendet werden, um die durch Servometer simulierte Radgeschwindigkeit gleichzeitig zu verfolgen.

Das Team erklärte:

„Integrierte BS-TENG-Netzwerke können sowohl als Rotationsenergie-Harvester als auch als energieautarkes Hochgeschwindigkeits-Sensorsystem für die Fahrzeugtemperatur- und Echtzeit-Geschwindigkeitsüberwachung verwendet werden. Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse, dass die Genauigkeit der batteriebetriebenen Fahrzeuggeschwindigkeitsüberwachung mehr als 99% erreichen könnte, was darauf hindeutet, dass ihr Design für praktische Anwendungen zuverlässig ist.“

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