Etwa seit dem Jahr 2010 macht eine neue Geräteklasse in größerem Maßstab von sich reden: Sogenannte Wearables sind elektronische Kleingeräte, die mittels integrierter Sensorik physische, physiologische sowie Umgebungsdaten messen können. In hochentwickelten Ländern liegt der Anteil der Nutzer bereits bei etwa 20 bis 25 Prozent, Tendenz steigend. Wearables sind vielfältig und innovativ: Neben den weitverbreiteten Fitness-Trackern und Smartwatches gibt es auch smarte Kleidung (E-Textilien) und medizinische Wearables im engeren Sinne. Auch Gadgets in Form von Datenbrillen, Ringen, Halsketten, Handschuhen und Schuhen gehören dazu.
Ebenso weitgefächert sind die Anwendungsbereiche: Von der Überwachung der Gesundheit (z.B. Herzfrequenz, EKG, Schlafmonitoring) über Sport und Fitness (Schrittzähler, Kalorienverbrauch, Sauerstoffsättigung im Blut etc.) bis hin zu speziellen Einsatzzwecken in der Industrie (Exoskelette, Belastungsmessung), Medizin (Sensorpflaster, smarte Inhalatoren etc.) und beim Militär (Vitalparameter-Tracking bei Soldaten).
¿Qué son las perovskitas?
In jedem Wearable stecken verschiedene Sensoren zur Bewegungserkennung. Beschleunigungssensoren erfassen Bewegungen in den drei Raumachsen; Gyroskope messen Drehbewegungen; GPS, GNSS und barometrische Höhenmesser sammeln Daten über die Position im (dreidimensionalen) Raum. Zu diesen physischen Sensoren gehören auch Temperatur- und UV-Sensoren, die weitere Umgebungsdaten beisteuern.
Um darüber hinaus physiologische Daten wie Herzfrequenz, Kalorienverbrauch oder bestimmte Gehirnaktivitäten zu messen, sind spezielle Sensortechnologien erforderlich. Sogenannte PPG-Sensoren (Photoplethysmographie) arbeiten mit LEDs am Wearable, die Licht durch die Haut schicken und anhand der Reflexion den Puls bestimmen können. Ähnlich funktioniert ein Pulsoxymeter: Aus den Wellenlängen des reflektierten Lichts lässt sich die Sauerstoffsättigung im Blut bestimmen. Noch in der Entwicklung sind tragbare Bioimpedanzsensoren, die Aufschluss über die Körperzusammensetzung geben (Fett, Wasser, Muskeln etc.). Wegen der hochfrequenten Signale ist der Energiebedarf solcher Sensoren höher, was Herausforderungen bei der Integration in ein Wearable mit sich bringt.
El término "perovskita" (que debe su nombre a un mineralogista ruso) designa originalmente el óxido de calcio y titanio (Ca2TiO3), también conocido como titanato de calcio. Posteriormente se extendió a materiales que tienen una estructura cristalina especial comparable (de ortorrómbica a cúbica). Por tanto, las perovskitas son materiales con la estructura ABX3, donde A, B y X pueden representar diferentes elementos y compuestos. Una celda solar basada en perovskita contiene muchos otros componentes además de la capa de Pk propiamente dicha. La estructura óptima para la mejor estabilidad y la mayor eficiencia posible está siendo investigada por muchos institutos de investigación y empresas de todo el mundo.
Las ventajas de las celdas solares de perovskita
Las celdas de Pk ofrecen una serie de ventajas que las hacen atractivas como alternativa a las celdas de Si. De 2009 a 2024, la eficiencia de las celdas de Pk alcanzada en el laboratorio aumentó del 3,8 por ciento al 26,1 por ciento, casi tan alto como el valor más alto jamás alcanzado por las celdas de Si (26,8 por ciento). No obstante, mientras que las celdas de Si convierten sobre todo la luz roja e infrarroja, las perovskitas también pueden aprovechar la luz de longitud de onda más corta. Por lo tanto, el enfoque más prometedor parece ser la combinación de capas de Pk y Si con el fin de utilizar todo el espectro luminoso para generar energía; hablaremos más adelante de las llamadas celdas solares en tándem.
Las perovskitas consumen mucha menos energía en el proceso de fabricación que el silicio, el cual requiere una temperatura de más de 1000°C, y debido a las finas capas, consumen mucho menos material (¡factor 100!). Las celdas de Pk se pueden instalar de manera más flexible con opciones adicionales como la combinación de colores y transparencia. Esto hace que las celdas de Pk resulten atractivas para muchas superficies que no se pueden lograr con celdas de Si, por ejemplo paredes de casas, tejados con poca capacidad de carga y mucho más.
Eine Herausforderung im Betrieb stellt die Energieversorgung von Wearables dar. Um laufend Echtzeitdaten erfassen zu können, sind lange Akkulaufzeiten und geringer Energieverbrauch gefragt bei gleichzeitig stark limitiertem Platzangebot für die Integration einer Batterie. Unterstützen können hier Methoden des sogenannten Energy Harvesting: In Wearables verbaute Nanogeneratoren erzeugen Strom aus der Umgebung oder der Nähe zum menschlichen Körper. Die entsprechenden Technologien sind noch in der Entwicklung und reichen von Mikro-Photovoltaik über Bio-Brennstoffzellen (z.B. Energiegewinnung aus Schweiß) bis hin zur Energiegewinnung aus Bewegung und Berührung (piezoelektrisch oder triboelektrisch); auch die Nutzung der Luftfeuchtigkeit (hydroelektrischer Effekt) wird erforscht.
Kritisch ist auch das Thema Datensicherheit. Wearables sammeln sensible körperbezogene Daten, die nicht in die falschen Hände oder an die Öffentlichkeit geraten sollten. Wie unter anderen das Bundesamt für die Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) warnt, kann ein Identitäts- oder Datendiebstahl zu finanziellen Schäden und Imageverlust führen. Im medizinischen Bereich besteht darüber hinaus die Gefahr der Manipulation der auf dem Wearable angezeigten Daten – mit der Folge ernsthafter Gesundheitsgefährdung, zum Beispiel bei der Selbstmedikation. Das BSI rät daher, auf sichere Hard- und Software von Wearables zu achten und bei der Nutzung bewusst Sicherheitsrisiken zu berücksichtigen (z.B. bei der Vernetzung mit anderen Geräten).
¿Cuáles son los desafíos?
Hasta ahora, casi todos los récords de eficiencia y logros constructivos se han alcanzado con celdas de perovskita en el laboratorio y en superficies pequeñas. La ampliación de escala y la industrialización aún están en gran medida pendientes. El problema principal en la práctica es la durabilidad y robustez de las celdas de Pk: Son más sensibles a la humedad y a las influencias ambientales que las celdas de Si (vida útil de unos 25-30 años), por lo que su vida útil oscila actualmente entre meses y unos pocos años.
Actualmente se están realizando arduas investigaciones para aumentar la vida útil. En este sentido, existen diversos enfoques, como la limitación de la movilidad iónica, la reducción de las reacciones químicas (mediante encapsulación) y el uso de capas límite más robustas. En un artículo publicado en Nature a principios de año, investigadores chinos describen cómo han conseguido producir celdas de Pk estables que además se comportan muy bien en pruebas de resistencia a largo plazo utilizando un movimiento iónico controlado y limitado a la capa de perovskita.
¿Qué son las celdas solares en tándem?
Vieles spricht dafür, dass Wearables weiter Marktanteile gewinnen werden: Die Geräte entwickeln sich weiter, werden immer erschwinglicher und funktionaler. Akkulaufzeiten verlängern sich, und Energy-Harvesting-Technologien eröffnen die Aussicht auf eine ununterbrochene Nutzung. Zudem macht die Kombination mit künstlicher Intelligenz Wearables auch für weniger technikaffine Menschen attraktiv – sie sind nun kein bloßes Gadget mehr, sondern begegnen dem Nutzer als wohlmeinendes und sehr gut informiertes Gegenüber – im Fall des Gesundheitsmonitorings einem Chefarzt oder Professor vergleichbar, den ich immer bei mir trage.
Auch in der Breite werden sich Wearables weiterentwickeln und vermehrt spezielle Einsatzzwecke abdecken – nicht nur im Privatleben, sondern auch in der Industrie, im Gesundheitswesen und weiteren, bisher noch gänzlich unerschlossenen Bereichen. Mit dem Leistungsumfang von Wearables steigt allerdings auch die Gefahr durch Missbrauch. Und je weiter die Geräte sich hardwareseitig entwickeln, desto herausfordernder wird es, die verbaute Elektronik verlässlich zu testen. Mit innovativen Kontaktierungstechnologien, etwa dem SleeveProbe™, zeigt INGUN immer wieder, wie besondere Prüfanforderungen effizient gemeistert werden können. Als Partner für die Technologie der Zukunft steht INGUN bereit, die dynamische Evolution der Wearables mit führender Prüftechnik zu unterstützen.