99 Prozent weniger Stromverbrauch: Wie der RFicient®-Chip das Internet der Dinge revolutioniert

RFicient® vereint geringen Stromverbrauch und schnelle Reaktionszeiten

Durch die Ausbreitung der Vernetzung von Geräten wird ein erheblicher Anstieg von CO2-Emissionen erwartet. Das Fraunhofer IIS mit seinem Kerngeschäft im Bereich Mikro- und Nanoelektronik muss daher forcieren, möglichst energiesparende und ressourcenschonende Lösungen zu entwickeln. Ein gutes Beispiel dafür ist der kürzlich mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis ausgezeichnete RFicient®-Chip.

Der RFicient®-Chip ergänzt herkömmliche Sensorknoten durch einen Wakeup-Receiver und versetzt die Elemente, die damit verbunden sind, in den Schlummermodus. Durch extrem kurze Einschaltzeiten können etwa 99 Prozent des Stromverbrauchs eingespart werden. Gleichzeitig gewährleisten der schnelle Wechsel zwischen aktiven und inaktiven Phasen sowie eine schnelle Signalverarbeitung sehr kurze Latenzzeiten und garantieren damit eine Reaktion in Echtzeit. Diese Kombination zwischen schnellen Reaktionszeiten und der hohen Energieeffizienz ist einzigartig. Durch den geringen Stromverbrauch hält dann eine einfache Knopfzellenbatterie an die zehn Jahre. Das wiederum hat nicht nur Vorteile für die Nachhaltigkeit, sondern auch die Wirtschaftlichkeit der Technologie. Schließlich können die Empfänger nun kleiner und billiger gebaut und Wartungsaufwand und -kosten reduziert werden.

Die Anwendungsfelder des Chips sind dabei sehr vielseitig: eines der Anwendungsszenarios, in denen der Empfänger seine Stärken am besten ausspielen kann, ist bei der Annäherung und Entfernung zweier Objekte, was zum Beispiel beim Suchen bzw. Tracken von Objekten zum Einsatz kommt. Tracking kann z.B. in der Produktion und Logistik bei der Nachverfolgung von Objekten und Transportsystemen relevant sein, aber auch im Alltag beim Wiederauffinden von Gegenständen. Die Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten veranschaulicht die Menge an potenziellen IoT-Geräten und -Systemen, in denen der Chip zukünftig zum Einsatz kommen könnte. So trifft der RFicient®-Chip den Nerv der Zeit gleich in zweifacher Hinsicht: Er eröffnet dem Internet der Dinge einen enormen Spielraum und bringt gleichzeitig die Nachhaltigkeit voran. 

Das sagen die Entwickler und der Bereichsleiter zum RFicient®-Chip:

Ressourcensparen war von Anfang an Teil des Entwurfsziels 

Vor 14 Jahren, als ich die Grundidee für den RFicient®-Chip hatte, war das Thema Nachhaltigkeit in der gesellschaftlichen Debatte noch nicht so prominent wie heute. Allerdings stand bei der Entwicklung des Chips schon von Beginn an der Spagat zwischen geringem Stromverbrauch, geringen Latenzzeiten und langer Lebensdauer im Vordergrund. Wir wollten einen Chip entwickeln, den es erstaunlicherweise noch nicht gab, obwohl die Einsatzmöglichkeiten so vielversprechend sind. Diese Marktlücke haben wir damals erkannt und mit unserem heute fertiggestellten produktreifen Chip einen Volltreffer gelandet. Dabei war Nachhaltigkeit – im Sinne einer effizienteren Nutzung von Ressourcen – schon in einem frühen Stadium Teil der ingenieurstechnischen Problemstellung.

RFicient® spart Strom und bietet großes Potenzial in der Prozessoptimierung und Einbettung in Recycling-Kreisläufen

Mir persönlich liegt das Thema Nachhaltigkeit sehr am Herzen: Eine kleinere Batterie bedeutet kleinere Baugröße und das bedeutet weniger Plastik und Metall. Meine größte Hoffnung ist jedoch, dass unser Wake-Up-Receiver von den Endkunden als Baustein in IoT-Knoten so eingesetzt wird, dass mit ihnen Prozesse ökologisch optimiert und Ressourcen gespart werden, indem man sie z.B. im Maintenance-Monitoring von Ermüdung und Verschleiß einsetzt.

Die Langlebigkeit der Technologie erschließt neue Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsfelder

Mit der stromsparenden Chip-Lösung werden nun viele Anwendungsfelder eröffnet, die vorher nicht denkbar waren, weil die Stromaufnahme mit Batterien, die – überspitzt gesagt – nur zwei Tage Laufzeit haben, starke Limitationen bedeutet hat. Mit der hohen Langlebigkeit der Chips können viele Anwendungsfälle noch einmal neu gedacht werden und der Einsatz von Funk in Anwendungen geprüft werden, die zuvor nicht in Frage kamen. Der Gedanke, wie viele Chancen und Möglichkeiten noch in dem RFicient®-Chip stecken, ist ein wichtiger Antrieb für mich und meine Kollegen. Außerdem macht es mir sehr viel Freude, in der großartigen Atmosphäre am Fraunhofer IIS an Lösungen zu tüfteln und Ideen spinnen zu dürfen. 

Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gehen bei uns Hand in Hand

Der RFicient®-Chip ist ein hervorragendes Beispiel für das Vereinen von nachhaltigen und wirtschaftlichen Zielen: Laut einer aktuellen Statistik wird sich die Anzahl der IoT-Knoten in den nächsten drei Jahren von heute etwa 40 Milliarden auf 80 Milliarden verdoppeln. Dieser Trend ist da und den können und wollen wir auch gar nicht aufhalten. Allerdings wollen wir solche Entwicklungen nachhaltiger gestalten. Dazu tragen wir in diesem Fall in zweifacher Hinsicht bei: Wir helfen, Energie zu sparen und Ressourcen zu schonen.

Eine einfache Modellrechnung: Angenommen, dass RFicient® in 10 Milliarden von IoT-Knoten zum Einsatz kommt, dann werden nur 5 Mikroampere statt 100 Mikroampere für die Funkübertragung vom Sensor benötigt. Das entspricht einer jährlichen Energieersparnis von 25 Gigawattstunden oder dem jährlichen Stromverbrauch von 10 000 Haushalten – nur für die Funkübertragung. Und dadurch, dass durch den geringen Energieverbrauch viel seltener Batterien gewechselt werden müssen, werden Ressourcen geschont und gleichzeitig Geld für Wartung und Ausfallzeiten gespart. So gehen Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit Hand in Hand.