FreePhone

Laufzeit: Juni 2005 - März 2007 / zfe-Förderung / Prof. Tom Philipps

Projektidee

Die stark zunehmende Verbreitung von mobilen Kleingeräten wie beispielsweise Mobiltelefone und MP3-Player wirft die Frage nach einer innovativen, mobilen und zugleich umweltgerechten Energieversorgung auf. Durch die Weiterentwicklung moderner Mobiltelefone hin zu persönlichen digitalen Assistenten (PDAs) werden sie zu unentbehrlichen Hilfsmitteln im Privat- und Arbeitslebens und müssen ununterbrochen betriebsbereit und verfügbar sein. Die stationäre Aufladung von Akkus oder der Gebrauch von Einwegbatterien sind bislang mit hohen Energieverlusten, langen Standzeiten beim Aufladen in Ladegeräten und mit hohen Umweltbelastungen verbunden. So werden aktuell nur etwa 9 % für den eigentlichen Betrieb des Telefons benötigt. Der überwiegende Teil sind Verluste der Batterie und des Ladegerätes und sowie Verluste beim Laden der Akkus.

Projekthintergrund - Sonderforschungsbereich 392 und Transferbereich 55

Der Sonderforschungsbereich 392 „Entwicklung umweltgerechter produkte - Arbeitsmittel, Methoden, Instrumente“ wurde Anfang 1996 an der TU-Darmstadt initiiert und endete im Dezember 2004. Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsvorhabens war es, Methoden, Arbeitsmittel und Instrumente zur Unterstützung des Produktentwicklers für eine ganzheitliche und präventive ökologische Optimierung von Produkten zu erarbeiten. Der Transferbereich 55 zielete darauf ab, die Ergebnisse des SFB 392 in die insudtrielle Praxis zu übertragen. Mit Abschluss des SFB 392 standen Methoden, Arbeitsmittel und Instrumente aus neun Jahren Eco-Design-Grundlagenforschung sowie ein umfangreiches, im Rahmen von Kooperationsprojekten mit der Industrie erworbene Hintergrundwissen zur Verfügung. 

Dieses Teilprojekt des Transferbereichs 55 wurde seitens der TU-Darmstadt, des Fachgebiets pmd – Produkt-entwicklung und Maschinenelemente initiert und in Zusammenarbeit mit dem Umweltbereich der Motorola GmbH durchgeführt. Das Institut für Industrie-Design wurde nach der Evaluierungs- und den Testphasen mit der Ausarbeitung der Anwendungskonzepte und der Konstruktion der Prototypen beauftragt. 

Mit dem Transferprojekt sollte ein innovatives System zur umweltgerechten und netzunabhängigen Energieversorgung mobiler Kommunikationsgeräte mit hoher Nutzerakzeptanz entwickelt werden. Ausgangspunkt der Entwicklungsarbeit sollten die Möglichkeiten zur Energiegewinnung durch Human Energy Harvesting (HEH) sein. Das System sollte bis zur prototypischen Realisierung entwickelt und die Umsetzung in markt- und umweltgerechte Produkte im Anschluss an das Projekt diskutiert und unterstützt werden. Aufgrund der weiten Verbreitung von Mobiltelefonen wurde die Prototypenentwicklung stellvertretend an dieser Produktart durchgeführt. In den Untersuchungen sollte jedoch die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Produktgruppen sichergestellt werden.

Neben der Anwendung für die netzunabhängige Energieversorgung von mobilen Kommunikationsgeräten haben die Ergebnisse dieses Transferprojekts eine außerordentliche Breitenwirkung, da sie die Gesamtheit aller mobilen und netzunabhängigen Geräte mit vergleichsweise niedrigem elektrischem Energiebedarf (bis etwa 0,1 Watt im Stand-By und 1 Watt im Betrieb) betreffen.

Systematische Auswahl und Bewertung der Lösungsvarianten

Dem Entwicklungsprozess ging eine umfangreiche und sytematisch Untersuchung alternativer Lösungsansätze zur geeigneten Energiegewinnung voraus:

- Analyse bestehender Systeme und Forschungsaktivitäten
- Ermittlung von Energieverbrauch und Nutzerprofilen
- Anforderungen an die mobile, netzunabhängige Stromversorgung
- Lösungsfindung und -auswahl

Die Energieversorgung mittels Thermogenerator wurde favorisiert und weiter ausgearbeitet. Thermoelemente sind thermoelektrische Bauteile, die sowohl als Wärmepumpen als auch als Thermogeneratoren eingesetzt werden können. Sie werden je nach Bauweise und Nutzung der physikalischen Effekte zur Stromerzeugung (Thermogeneratoren), zur Kühlung (Peltier-Elemente) oder auch zu Temperaturmessungen eingesetzt.

Entwicklung des FreePhone

Im Anschluss an die positiv verlaufenen Test mit Funktionsmustern wurden Designmuster entworfen und realisiert. Die digitalen Entwürfe wurden mittels Stereolithografie (Rapid-Prototyping) und anschließendem Finishing der Oberflächen als Funktionsmuster umgesetzt. 

Hierbei wurden drei unterschiedliche Ansätze verfolgt:

FreePhone Konzept - Belt


Abb. 12
Abb. 13

Die Explosionsdarstellung des Designentwurfs (Abb. 2) lässt erkennen, dass die Elektronik zur Aufbereitung der elektrischen Energie (in Abbildung 2 als „Technik-Package“ bezeichnet) in der Gürtelschnalle sitzt. Da außerdem der Energiespeicher des Mobiltelefons aufgrund des täglichen Nachladens deutlich kleiner sein kann als bei aktuellen Mobiltelefonen, konnten die Abmessungen des Mobiltelefons verkleinert werden. Nach ersten Betrachtungen zur Bedienbarkeit der Rapid-Prototyping-Modelle wurden die Abmessungen mit 88 mm x 50 mm x 11 mm (l x b x h) festgelegt.

Abb. 3 - Schnallenelement (ohne und mit Telefon)
Abb. 4 - Gürtelelement mit eingelassenem
Abb. 5 - Funktionsprototyp Mobiltelefon
Abb. 6 - Schmematischer Aufbau Mobiltelefon

FreePhone Konzept - Trageriemen


Abb. 7 - Riemenkonzept
Abb. 8 - Schematischer Aufbau Riemenkonzept

Neben dem oben vorgestellten Designmuster arbeitete das beteiligte Designteam eine Variante des Trageriemen Thermogenerators aus. Diese Variante nutzt das gleiche Mobiltelefon, aber eine abgewandelte Version der Ladeeinheit (Abbildung 6), die über den Tragegurt einer Umhängetasche oder eines Rucksacks geschoben werden kann. In dieser Version sind acht Thermoelemente in zwei Schienen der Ladeeinheit integriert (Abbildung 6). Die Thermoelemente liegen nah beieinander und nutzen einen gemeinsamen Kühlkörper.

Abb. 9 - Riemenkonzept
Abb. 10 - Kopplung Mobiltelefon mit Technikbasis

FreePhone Konzept - Hals


Abb. 11 - Konzept - Hals
Abb. 12 - Schematischer Aufbau

Das dritte Konzept ist visionär ausgerichtet und vertritt den Ansatz, dass zukünftige Entwicklungen eher den Mensch in seinem natürlichen Handeln unterstützen, als das sein Handeln dem handling eines technischen Objekts unterliegt. Das Konzept zeigt einen Kommunikationsring der um den Hals des Anwenders gelegt wird.

Diese Lösung zeigt eine zukünftige intelligente und intuitive Kommunikation, die die Kommunikationselektronik aufnimmt und sich energetisch autark versorgt und gleichzeitig den Bewegungsraum des Anwenders nicht einschränkt.

Abb. 13 - Modell
Abb. 14 - Schematischer Aufbau

Ergebnisse

Die Energieversorgung mittels Thermogenerator am Gürtel wurde favorisiert und weiter ausgearbeitet. Der Test des Funktionsmusters hat gezeigt, dass durchaus nennenswerte Energiemengen aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen menschlichem Körper und Umgebung generiert werden können. Weniger energiehungrige mobile Verbraucher wie MP3-Player oder Sensoren zur Gesundheitsfürsorge könnten demnach mit aktuellen Thermoelementen angetrieben werden.

Allerdings ist die notwendige Kühlung der Thermoelemente von entscheidender Bedeutung. Zum einen beschränkt die Kühlung die mögliche Lage der Energieversorgung am Körper, da Abdeckungen wie Kleidungsstücke eine Kühlung unterbinden. Zum anderen ist die Kühlung moderner, leistungsfähiger Thermoelemente in Mikroprozessorbauweise eine Ernst zu nehmende Herausforderung, weil hohe Wärmeströme durch eine kleine Fläche geleitet werden müssen.

Thermoelemente werden außer in der Raumfahrt bislang nicht zur Energieversorgung von Produkten eingesetzt und werden bisher nur in Kleinserien hergestellt. Daher sind die Marktpreise für leistungsfähige Elemente momentan sehr hoch. Die Mikroprozessorbauweise von Thermoelementen eignet sich allerdings ideal zur Massenfertigung, wodurch – bei entsprechender Nachfrage – die Preise deutlich sinken können.

 

>> Projektteam