Batterielose Kontaktverfol­gung: Nachhaltige elektronische Systeme können helfen, Corona zu bezwingen

Forscher des Networked Embedded Systems Labs am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden haben ein batterieloses Gerät entwickelt, das automatisch die Kontakte einer infektiösen Person aufzeichnet, ohne dass es jemals manuell aufgeladen werden muss. 

Mobiltelefon, Smartwatch, Tablet, Kopfhörer – die meisten elektronischen Geräte, die uns im Alltag begegnen, werden von einer Batterie gespeist und müssen regelmäßig aufgeladen werden. Nach einigen Jahren hält der Akku nur noch wenige Stunden. Da ein Austausch des Akkus meist unrentabel oder technisch nicht durchführbar ist, muss ein neues Gerät her. Die Entsorgung von alten Batterien ist sehr aufwendig und aufgrund der darin enthaltenen giftigen Substanzen eine große Belastung für die Umwelt. Forscher der TU Dresden stellen sich eine Zukunft vor, in der viele der uns umgebenden elektronischen Geräte jahrzehntelang ohne Batterie und manuelles Aufladen arbeiten. Diese Geräte versorgen sich selbst mit Energie aus ihrer Umgebung und speichern diese in umweltfreundlichen Kondensatoren. Es gibt eine Fülle von bislang weitgehend ungenutzten Umgebungsenergiequellen wie etwa Licht, Funksignale, Vibrationen oder Temperaturgradienten. Die Erschließung dieser Energiequellen ohne Nutzung von Batterien kann die Nachhaltigkeit von elektronischen Systemen erheblich verbessern.

In ihrer neuesten Forschungsarbeit nutzen Kai Geißdörfer und Marco Zimmerling, TUD Young Investigator an der Fakultät Informatik, diese batterielose Elektronik zur automatischen Kontaktverfolgung von Personen, die sich mit dem Coronavirus infiziert haben. Die von ihnen entwickelten Geräte sind so groß wie ein Anstecker und mit drei Solarzellen sowie einem winzigen 47𝜇F Kondensator als Energiespeicher ausgestattet. Die Geräte werden an der Kleidung von Personen getragen und verwenden die von den Solarzellen erzeugte elektrische Energie, um Funknachrichten mit anderen Geräten in der näheren Umgebung auszutauschen und jede erkannte Begegnung dauerhaft lokal aufzuzeichnen. Experimente im Innen- und Außenbereich haben gezeigt, dass neue Begegnungen zuverlässig innerhalb von zehn Sekunden aufgezeichnet werden. Diese kurze Verzögerungszeit ist bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass batterielose Geräte nur zeitweise aktiv sind. 

Geißdörfer und Zimmerling sind die Ersten, die sich dieser grundlegenden Herausforderung durch Analyse, Entwurf, Implementierung und experimentelle Bewertung neuartiger Hardware- und Softwaremechanismen stellen. Das von ihnen entwickelte System reduziert die Zeit, die batterielose Geräte zur gegenseitigen Erkennung benötigen, um das bis zu 34,4-fache im Vergleich zur besten bisher bekannten Lösung. Das entsprechende Forschungspapier mit dem Titel “Bootstrapping Battery-free Wireless Networks: Efficient Neighbor Discovery and Synchronization in the Face of Intermittency”   wird im April 2021 auf dem 18th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI) vorgestellt.