Solarhelm liefert Strom auf der Skipiste

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Stereo-Kopfhörer oder Headsets können schon bald mit der Energie betrieben werden, die allein durch die Solarzellen auf der Oberfläche eines Skihelms gewonnen wird. Das Anschließen eines mobilen Gerätes wie Smartphone oder MP3-Player ist dabei kabellos über Bluetooth möglich.

Prinzip der Energiebereitstellung, Bild: 5th Dimension und Texsys
Prinzip der Energiebereitstellung, Bild: 5th Dimension und Texsys

Mit einem Bluetooth-Handschuh hat der Anwender direkten Zugriff auf eingehende Anrufe. Selbst der MP3-Player kann so bequem ferngesteuert werden, sodass das Ausziehen der Handschuhe bei Minusgraden der Vergangenheit angehört. Der Nutzer erhält so ein Kommunikationssystem, das ohne Kabel in die Skiausrüstung integriert ist.

Möglich macht das ein dreidimensionales Solarmodul, das von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Zusammenarbeit mit der TU Berlin und der Firma Texsys entwickelt wurde und in den Skihelm montiert ist. Das Solarmodul sorgt für die vollständige Deckung des Energiebedarfs bei jedem Wetter. Dies funktioniert jedoch nur, wenn großflächige Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad (größer als 20 Prozent) eingesetzt werden.

Die größte Herausforderung stellte die Anpassung des Solarmoduls an die gekrümmte Fläche des Skihelms dar. Bisher war es nur möglich, recht kleine Solarmodule auf unebenen Oberflächen zu integrieren. Auch mechanisch flexible, in Folienform erhältliche Solarmodule sind für diese Zwecke nicht geeignet, da sie zum einen nur in einer Richtung biegbar sind und meist auch einen Wirkungsgrad besitzen, der deutlich unter dem von starren Solarzellen liegt.

Das Fraunhofer IZM hat deshalb eine neue Aufbau- und Verkapselungstechnologie entwickelt, bei der hochwertige Solarzellen aus einkristallinem Silizium in sehr kleine Einzelchips segmentiert und an eine dreidimensionale, gekrümmte Form angepasst werden können. Das Bruchrisiko der Einzelzelle bei starker punktförmiger mechanischer Belastung wird dadurch ebenfalls stark reduziert. Darüber hinaus ist durch die redundante Auslegung der Solarzellen auch dann noch die einwandfreie Funktion gesichert, wenn eine einzelne Zelle ausfällt.

Skihelm mit 3D-Solarmodul, Bild: Fraunhofer IZM
Skihelm mit 3D-Solarmodul, Bild: Fraunhofer IZM

Die resultierende robuste Technologie kann in vielen Outdoor-Anwendungen ihren Einsatz finden. Die Stromversorgung wurde als kompakte Einheit aus Solarmodul, Elektronik und Speicher entwickelt und kann leicht an andere Anwendungen mit gekrümmten Oberflächen angepasst werden, wie z. B. Rad- und Reithelme, Rucksäcke, Bestandteile der Kleidung, Karosserieteile und ähnliches. Auch ein nachträgliches Aufrüsten von gängigen Helmen ist mit dem Solarmodul möglich.

Ein Einsatz ist überall da denkbar, wo Headsets im Helm zum Alltag gehören, etwa bei Motorradhelmen oder Helmen für Rettungskräfte. Auch der Betrieb eines Lüfters ist denkbar. Auf einem typischen Helm ist ein Modul mit einer Nennleistung von 2 W bequem integrierbar, was der Leistungsaufnahme eines Smartphones entspricht.

Die niedrigen bzw. stark wechselnden Temperaturen des Anwendungsgebietes mussten bei der Entwicklung der Speichereinheit besonders berücksichtigt werden. Während sich die Leistung der Solarzellen bei tiefen Temperaturen sogar verbessert, nimmt die Leistung des Akkus signifikant ab. Bei Temperaturen unter 0°C ist das Aufladen des Akkus außerdem nur schlecht bis gar nicht möglich.

Hier greift die eigens entwickelte Mikrokontrollersteuerung, die das Laden des Akkus bei Kälte anpasst und die Funktionalität der Ladeelektronik bei Temperaturen von -30°C bis +60°C gewährleistet. Eine Nutzung der Kommunikationsmodule ist jedoch auch dann lückenlos möglich, da die Energieversorgung in diesen Perioden bei ausreichendem Licht direkt über das Solarmodul erfolgt. Die Mikrokontrollersteuerung sorgt dafür, dass bei allen Bedingungen immer die maximale Leistung der Solarzelle nutzbar ist.

Ein Nachladen aus dem Stromnetz wird durch die Energieversorgung über das 3D-Solarmodul auf der Oberfläche des Skihelms nahezu überflüssig. Wenn der Helm nicht genutzt wird, ist es außerdem möglich, Smartphone oder MP3-Player direkt über den Akku aufzuladen.

Derzeit liegt ein Prototyp des Solarhelms vor. Im nächsten Schritt sollen Feldtests und ein Redesign erfolgen, sodass der Solar-Skihelm zu einem Ladenpreis von rund 300 Euro Ende dieses Jahres mit einem Helmhersteller in den Markt eingeführt wird. Der Solarhelm ist vom 29. Januar bis 1. Februar auf der Messe ISPO Munich am Fraunhofer-Stand der WT-Show in Halle B6 zu sehen.