Mehr Energie für Smartphones

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Wer morgens mit einem aufgeladenen Smartphone das Haus verlässt, dem bricht oft wenige Stunden später die Verbindung ab – das Smartphone muss an die Steckdose. Forscher und Unternehmen suchen daher neue Wege der Energieversorgung für die Hightech-Handys – darunter Brennstoffzellen und Radiowellen.

Zwei Sachverhalte sind für die – im Vergleich zu einfachen Handys – kürzeren Lade-Intervalle von Smartphones verantwortlich: Erstens ist die Zeit vorbei, in der mit dem Handy nur telefoniert wurde oder SMS ausgetauscht wurden. Zweitens ist die Software komplexer, die Prozessoren schneller und die Displays leuchtstärker und größer geworden – und all das braucht Strom.

Lithium-Ionen-Akkus sind längst an den Grenzen der Physik angekommen, die Optionen sind ausgereizt. Ohne eine signifikante Vergrößerung des Akkus ist keine nennenswerte Steigerung der Speicherkapazität mehr möglich. “Die Energieeffizienz kann in Zukunft zu einem Alleinstellungsmerkmal für Apple, Google, Samsung und Co. avancieren”, sagt Oliver Peters, Associate Manager beim IT-Berater Altran. “Wenn der Akku eines Smartphones länger hält als der eines anderen Modells, ist dies ein entscheidender Wettbewerbsvorteil, den auch die Verbraucher schätzen werden.”

Experten untersuchen derzeit Alternativen zum herkömmlichen Smartphone-Akku. So könnte die Kapazität mit einem Solarfeld auf der Rückseite des Smartphones erweitert werden. Die Sache hat allerdings einen Haken: Der Nutzer muss diese Seite seines Handys möglichst immer in Richtung der Lichtquelle legen.

Als weitere Möglichkeit käme der Einsatz einer Brennstoffzelle in Betracht. Forscher der Harvard University haben hier Fortschritte gemeldet. Im November stellten sie eine mit Methan betriebene Mini-Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) vor, die aufgrund einer Betriebstemperatur von unter 500 Grad auch in kleinen elektronischen Geräten verwendet werden könnte.

“Niedrige Temperaturen sind eine Art heiliger Gral in diesem Gebiet”, sagte Shriram Ramanathan, der das Projekt leitet. “Wenn man Hochleistungs-SOFCs, die im Bereich von 300 bis 500 Grad Celsius arbeiten, in die Praxis umsetzen kann, dann lassen sie sich in tragbaren Elektronikgeräten und Fahrzeugen einsetzen.” Nach Auskunft der Forscher liegt die übliche Betriebstemperatur von SOFCs zwischen 800 und 1000 Grad.

Den Forschern ist es nach eigenen Angaben gelungen, eine funktionierende Dünnfilm-SOFC zu entwickeln, die kein Platin enthält. Die Verwendung teurer Materialien wie Platin war eine der Herausforderungen, die einer kommerziellen Nutzung von Brennstoffzellen für Akkus mobiler Geräte bisher im Weg standen.

Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung von Methan als Brennstoff. Das Gas kommt in der Natur vor und ist reichlich vorhanden. Der bisher in erster Linie für SOFCs verwendete Wasserstoff muss aufwändig hergestellt werden. “Es ist teuer, reinen Wasserstoff zu erzeugen”, so Ramanathan. “Das schränkt die Anwendungsmöglichkeiten deutlich ein.”

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler neue Katalysator-Typen für Methan-SOFCs untersuchen. “Ziel ist es, günstige, in der Natur vorkommende Materialien zu finden, die dabei helfen, die Betriebstemperatur weiter zu senken.”

An einer Brennstoffzelle, die als Ladegerät für kleine Geräte wie Smartphones zum Einsatz kommen soll, arbeitet Lilliputian Systems. Im November investierte das Risikokapital-Unternehmen Intel Capital eine nicht genannte Summe in das US-Startup. Intel wird zudem Silizium-Wafer für die ersten Brennstoffzellen von Lilliputian fertigen.

Das USB Mobile Power System von Lilliputian soll für etwa 99 Dollar in den Handel kommen, Bild: Lilliputian.
“USB Mobile Power System”, Bild: Lilliputian

Schon bald werde man Vertriebspartner für das ‘USB Mobile Power System’ genannte Produkt bekannt geben, kündigte Mouli Ramani an, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Lilliputian. Die Butan-Patronen, die den Brennstoff liefern, sollen so groß wie ein Feuerzeug sein. Die Leistung gibt Ramani mit etwa 3 Watt an. Der Preis der Brennstoffzelle wird ihm zufolge bei rund 99 Dollar liegen. Die wieder verwertbaren Gaspatronen kosteten voraussichtlich einige Dollar. Butan-Gas werde auch für Feuerzeuge verwendet. Die Patronen seien zudem für den Einsatz in Flugzeugen zugelassen. Eine Brennstoffzelle liefere genug Strom für zwanzig Ladevorgänge. Als Zielgruppe sieht Ramani Geschäftsleute, Studenten oder Familien auf Reisen. “Man kann verschiedene Geräte mehrfach aufladen. Wer zwei Gaspatronen hat, muss keine Kabel mitnehmen.”

Bislang konnten Brennstoffzellen-Ladegeräte für elektronische Geräte freilich keine großen Erfolge verbuchen. Unternehmen wie MTI Micro und Medis Technologies haben zwar entsprechende Produkte entwickelt, aber bisher nicht erfolgreich vermarktet. Seit 2009 bietet Toshiba eine Methanol-Brennstoffzelle für kleine elektronische Geräte an, die bisher nur in Japan verkauft wird.

Unternehmen experimentieren zudem mit der Energiegewinnung aus uns umgebenden Radiowellen beziehungsweise Elektrosmog. So entwickelt Nokia in einem Forschungszentrum im britischen Cambridge ein Verfahren, um Radiowellen zur Stromerzeugung zu nutzen.

Ähnlich wie bei RFID-Chips wandeln die Forscher elektromagnetische Wellen in elektrische Signale um. Dafür werden neben einer Antenne zwei passive Schaltkreise benötigt. Um möglichst viel Energie zu gewinnen, nutzen die Forscher ein breites Frequenzspektrum. “Wir verwenden einen Breitband-Empfänger, der Signale im Bereich zwischen 500 MHz und 10 GHz verarbeitet”, erklärte Markku Rouvala, einer der an der Entwicklung beteiligten Forscher.

Demnach arbeiten die Forscher an einem Prototyp, der eine Leistung von bis zu 50 Milliwatt erzeugen kann. Dies sei ausreichend, um den Akku eines ausgeschalteten Mobiltelefons langsam zu laden, so Rouvala. Die Leistung aktueller Prototypen liege bei 3 bis 5 Milliwatt. Erste Geräte, die Radiowellen als Stromquelle nutzen, erwartet Rouvala in den nächsten Jahren. Nokia plane, die Technologie zusammen mit anderen alternativen Energiequellen einzusetzen – beispielsweise eingebauten Solarzellen.

Im März 2010 beantragte Nokia beim US-Patentamt (USPTO) ein Patent, das einen selbstladenden Handy-Akku beschreibt. Laut einem Bericht des New Scientist reichen Bewegungen des Besitzers – beispielsweise beim Gehen – aus, um den Akku zu laden.

Wie es in dem Antrag heißt, werden schwere Bauteile innerhalb des Mobiltelefons, etwa der Akku, auf einem festen Rahmen angebracht. Dieser sitzt auf zwei Schienenpaaren, die horizontale und vertikale Bewegungen ermöglichen. An den Enden der Schienenpaare sind Nokia zufolge Piezoelemente angebracht, die zusammengedrückt werden und dadurch elektrische Spannung erzeugen. Sie laden einen Kondensator auf, der wiederum die Energie an den Akku weiterleitet. Wann diese Technik Marktreife erlangen wird, ist nicht bekannt.

Neben neuen Wegen der Energieversorgung der Smartphones wird aber auch an Lösungen gearbeitet, die weniger Energie verbrauchen. Auch Fortschritte in diesem Bereich verlängern die Frist bis zum nächsten Ladezyklus. So können Prozessoren mit mehreren – gegebenenfalls spezialisierten – Kernen verwendet werden: Wenn jeder Kern des Prozessors eigene Aufgaben erfüllt, zum Beispiel jeweils für Grafik, Sprache oder das Browsen verantwortlich ist, können inaktive Kerne abgeschaltet und dadurch ein deutlicher Einspareffekt erzielt werden.