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Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Kommunikation

Dünnschicht-Batterie betriebene flexible autarke Monitoringeinheiten zur Überwachung von Flugzeugsystemen

Hier finden Sie Informationen über die Dünnschicht-Batterie betriebene flexible autarke Monitoringeinheiten zur Überwachung von Flugzeugsystemen
Masterprojekt Elektrotechnik - Schwerpunkt Elektrotechnische Systementwicklung
Masterprojekt Maschinenbau - Schwerpunkt Mechatronik
Thema:  Vernetzte Systeme


KURZBESCHREIBUNG:

Energieautarke Sensoren sind Systeme, die vollständig über eine integrierte Energiequelle versorgt werden. Dabei ermöglichen Energie-Harvester die Wandlung von Umgebungsgrößen aus dem unmittelbaren Umfeld des Sensors in elektrische Energie – und können damit die Einsatzzeit verteilter sensorischer Systeme gegenüber dem reinen Batteriebetrieb erheblich verlängern. Der wartungsfreie kabellose Betrieb ermöglicht dabei über eine örtlich hoch aufgelöste Datenerfassung hinaus Zugang zu Orten, die mit drahtgebundenen Systemen schwer zugänglich sind.

Kabellose Überwachung des Flugzeugrumpfs: Wie beispielsweise soll ein Mechaniker die Innenseite eines Flugzeugrumpfs nach Defekten absuchen? Um die Wartung künftig zu vereinfachen, überwachen Sensoren die Flugzeughülle so lange bis zum D-Check-Intervall, d.h. in voller Lebensdauer einer Komponente in-Service. Entdecken sie Beulen oder Risse, funken sie dies an eine Überwachungseinheit. Dem hierfür benötigten Energiebedarf erlegt eine signifikante Herausforderung an die Energieversorgung. Trotz stetigen Effizienzsteigerungen von energiesparenden Prozessoren bedeutet dies für die batteriebetriebenen Geräte eine wesentliche Volumen- und Gewichtsanteil-Last am Gesamtsystem. Bei der Wahl der besten Energiequelle für ein autarkes Sensorsystem an einem Flugzeug wird die „Leistung zu Gewicht“ Ratio als der wichtigste Parameter berücksichtigt. Der zweite essentielle Baustein ist das Leistung-Management, d.h. die Anpassung der Sequenzen für Energiegewinnung, -Speicherung und Signalaufbereitung vor Data-Output.

Thermogeneratoren sind bekannt geworden als zuverlässige Stromversorger von Weltraumsonden und Satelliten. Thermoelektrische Uhren machten Ende der 1990er Jahre deutlich, dass schon die Differenz zwischen Körper- und Raumtemperatur prinzipiell ausreicht, um elektronische Geräte zu betreiben. Die Verwertung ansonsten verlorener Abwärme zur Stromerzeugung nennt man Thermoelektrische Energie Harvesting; im Automobil oder in Industrieprozessen wird diese Technik der Energierückgewinnung bereits eingesetzt.

Um die nötige Energie an einem Flugzeug zu gewinnen können Thermoelektrische Generatoren als Energie-Harvester basierend auf dem Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Innenraum eingesetzt werden. Weil die Sensoren dann ohne Batterien und Wartung auskommen, lassen sie sich an unzugänglichen Stellen fast beliebig lange einsetzen – an Flugzeugrumpf, an Flügeln, an Triebwerk-Gehäuse, zudem können sie bei Gefahrgut-Transporten auf Straße, Schiene oder Schiff, in Kraftwerken, Windkraft- oder Chemieanlagen als Energielieferanten verwendet werden. Die Energie der Thermogeneratoren reicht, um unterschiedliche Sensoren zu versorgen, sowie für eine Funkeinrichtung, die die Ergebnisse der Messungen an eine zentrale Einheit sendet.

Die Sensoren sollen sich selbständig über den Energie-Harvester mit Energie versorgen, im Netzwerk lokal miteinander kooperieren und Messwerte an eine zentrale Steuerung weitergeben. Um Kabel (und damit Gewicht) zu sparen – gerade im Flugzeugbau ein immenser Vorteil –, werden die Sensoren an der Innenseite des Flugzeugrumpfes in Form eines »Intelligenten Pflasters« aufgeklebt. So können sie bereits während des Fluges Verschleiß-, Ermüdungs- und Korrosionserscheinungen unabhängig von Kabel, Batterien oder Akkus – also energieautark – wahrnehmen.

Ziel ist ein »Intelligentes Powermanagement« von einem Sensornetz, das sich selbst versorgt und die Energiebedarf zugleich netzwerkweit abstimmt. In Systemen mit variablen Umweltbedingungen kann die Funktionsweise einzelner Sensorknoten in einem Sensornetz neben der Energiespeicherung auch durch intelligentes Energiemanagement im Netzt sichergestellt werden. Dabei ist das Design von energieeffizienten Datenübertragungs-Protokollen eine entscheidende Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung eines autarken drahtlosen Sensornetzwerks.

Neue Ansätze zum Energiemanagement sollen schlanke Messsysteme ermöglichen, die bisherigen Systemen hinsichtlich Miniaturisierungsgrad, funktionaler Robustheit gegenüber Änderungen in den spezifischen Umgebungsgrößen und ihren Umwelteigenschaften überlegen sind.Daneben ist eine schlanke, applikationsgerechte Auslegung der Energieversorgungseinheit ein von dem Schlüsselparameter für Miniaturisierung und umweltgerechte Entwicklung autarkes Sensorsystem. Ein von den essenzielen Ziele des Projektes ist die Entwicklung flache Energiespeicher und Energiemanagement-Systeme.

Die Arbeit wird in Kooperation mit dem DLR Köln durchgeführt.


PROJEKTPHASEN:

Masterprojekt 1: Einarbeitung in der Beschichtungstechnologie im DLR

Masterprojekt 2: Dünnschicht-Batterie-Entwicklung: Im Beschichtungszentrum des DLR mit der Unterstützung von technischen Personal werden flachen Festkörper-Batterien hergestellt und getestet und Vernetzung der Energy-Harvester (z.B. Mikro-Thermolektrische Generator) mit dieser Energiespeicher: Flache Batterien werden mit mikro-TEG bzw. mikro Piezowandler vernetzt.

Masterthesis: Entwickelung eines autarken Sensorsystem basierend auf einer flachen Batterie und einem Mikro-Energie-Harvester, einem Mikroprozessor und Datenspeicherung und Funk-Übertragungsmodule zum Aufbau an einem Flugzeugkörper.

Anzahl Plätze:  1