«Grüne», münzgrosse Sensoren für 6G und seismische Überwachung von Bauwerken

Sensoren in Bauwerken benötigen heute umweltgefährende Stoffe wie Blei oder seltene Erden. Ihr Einbau ist oft irreversibel, und ihr Unterhalt und die dauerhafte Versorgung mit Energie sind darum nur schlecht möglich. Forschungen eines Konsortiums bestehend aus der ZHAW, dem Imperial College London und dem Politecnico di Milano haben gemeinsam mit Multiwave Technologies und STMicroelectronics zu einem mikroskaligen Prototyp geführt, der frei von Blei und seltenen Erden ist – und keine Batterien benötigt.

23. Oktober 2025 – Mit unseren Partner:innen haben wir «grüne», energieautarke Sensoren entwickelt – so klein wie eine Münze für drahtlose Netzwerke und mit Echtzeitüberwachung. Das Projekt MetaVEH (Metamaterial Enabled Vibration Energy Harvesting) wurde kürzlich nach einer Förderung in Höhe von vier Millionen Euro im Rahmen des Horizon-2020-Programms «Pillar 1 – Excellent Science» abgeschlossen Die Forschung wurde von einem Konsortium durchgeführt, bestehend aus drei Universitäten – dem Imperial College London, dem Politecnico di Milano und der ZHAW Zürich als federführender Institution – zusammen mit Multiwave Technologies und STMicroelectronics.

Die ursprüngliche Idee war einfach: die Bewegung von Fahrzeugen auf Bauwerken wie Brücken und Autobahnen zu nutzen, um die daraus gewonnene Energie in Sensoren einzuspeisen, die eben diese Bauwerke überwachen. Solche Sensoren sind heute weit verbreitet, aber oft schwer (oder gar nicht) zugänglich, um Batterien auszutauschen – etwa wenn sie sich auf Antennenspitzen oder an den Trägern von Viadukten befinden. Die eigentliche Herausforderung bestand darin, ein kleines Gerät zu schaffen und gleichzeitig das Problem des Energiebedarfs der Sensoren für Betrieb und Datenübertragung zu lösen – um so die Umweltauswirkungen von Herstellung und Entsorgung von Batterien zu vermeiden.

Der von MetaVEH nach fast fünfjähriger Forschungsarbeit entwickelte Prototyp basiert auf dem Konzept des «Energy Harvesting», also der Nutzung von Schwingungsenergie aus der Umgebung, wobei piezoelektrische Materialien mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die derzeit effektivsten piezoelektrischen Materialien in bestehenden Sensoren enthalten jedoch Blei, ein umweltschädliches Element. Das Projekt konzentrierte sich daher auf die Entwicklung und Erprobung «grüner» piezoelektrischer Materialien, die frei von seltenen Erden sind und ein standardmässig verfügbares Element nutzen: Aluminiumnitrid.

Gleichzeitig wurde eine Technologie entwickelt, um mechanische Metamaterialien – speziell «konstruierte» Materialien mit gezielten Eigenschaften und Reaktionen – herzustellen, welche die Ausbreitung elastischer Wellen beeinflussen können und damit die Leistungsfähigkeit der Energieumwandler erheblich steigern. Die daraus resultierenden Metamaterialien, die mit innovativen 3D-Drucktechniken hergestellt wurden, besitzen besondere mechanische Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, die durchlaufende Welle «einzufangen» und sie auf das piezoelektrische Material zu konzentrieren – ein Phänomen, das als «Rainbow Trapping» bekannt ist. Die für die Entwicklung dieser Metamaterialien verwendete Technologie wurde vom Imperial College London und dem Politecnico di Milano patentiert. Dadurch konnten die Energieumwandler auf verschiedenen Skalen – bis hin zur MEMS-Skala (Micro-Electro-Mechanical Systems) – prototypisiert werden. Das Gerät hat eine Gesamtlange von 300 Mikrometern, also weniger als einem halben Millimeter, und passt vollständig in einen Fünfräppler.

«Im MetaVEH-Projekt haben wir gezeigt, dass Vibrations-Energieumwandler vom Konzept zu einer vollständig autonomen Sensorplattform weiterentwickelt werden können», sagt Prof. Andrea Colombi, Professor an der ZHAW Zürich und Koordinator von MetaVEH. «Durch die Kombination fortschrittlicher Metamaterialstrukturen mit nichtlinearem Energiemanagement und drahtloser Übertragung haben wir bewiesen, dass Sensoren ohne Batterien arbeiten und dennoch zuverlässige Daten liefern können – selbst in Umgebungen, in denen ein Batteriewechsel schwierig oder unmöglich ist. Dies eröffnet den Weg zu nachhaltigen Überwachungsslösungen für Infrastrukturen und das Internet der Dinge.»

«MetaVEH war auch eine anspruchsvolle mathematische Herausforderung, bei der wir uns mit der Komplexität von Nichtlinearität, mit Metamaterialmodellierung und Multiphysik-Kopplung auseinandergesetzt haben», erklärt Prof. Richard Craster, Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften am Imperial College London. «Diese Fortschritte in Theorie und Simulation waren entscheidend, um die Prototypen zu leiten und ihr Potenzial in realen Anwendungen zu demonstrieren.»

«Wir befassen uns mit einem breiten Spektrum an Strukturmechanik, insbesondere für diesen Sensortyp», sagt Prof. Raffaele Ardito vom DICA, Department of Civil and Environmental Engineering des Politecnico di Milano. «Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus dem Department of Mechanical Engineering haben wir intensiv daran gearbeitet, eine ‹grüne› Alternative zu finden. Am Ende des Projekts verfügen wir nun über einen Mikroskalen-Prototyp eines Energieumwandlers auf Basis eines piezoelektrischen Materials ohne Blei und ohne seltene Erden – und damit ethisch und ökologisch nachhaltig.»

Dieses Gerät besitzt ein grosses Anwendungspotenzial, insbesondere in zwei Bereichen: als hochwertige Resonatoren für 6G-Telekommunikation und als autonome Sensoren für Struktur- und Umweltüberwachung. Durch die Nutzung von Umgebungsschwingungen können solche Geräte an schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden, aktivieren sich nur bei Bedarf und senden Echtzeitdaten, um Infrastrukturen zu schützen. So könnten sie beispielsweise Frühwarnungen bei durch Erdbeben ausgelösten Bewegungen, Geländeinstabilitäten oder Materialermüdung in kritischen Bauwerken wie Brücken und Tunneln ermöglichen.

Das MetaVEH-Projekt wurde im Rahmen der EU-Initiative «Innovation Radar Platform» aufgrund seines hohen Innovationsgehalts ausgewählt.

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