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).
Cosa sono le perovskiti?
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.
Il termine "perovskite" (dal nome di un mineralogista russo) indica originariamente l'ossido di calcio e titanio (Ca2TiO3), noto anche come titanato di calcio. In seguito è stato esteso a materiali con una struttura cristallina speciale comparabile (da ortorombica a cubica). Le perovskiti sono quindi materiali con struttura ABX3, dove A, B e X possono rappresentare diversi elementi e composti. Una cella solare a base di perovskite contiene molti altri componenti oltre allo strato di Pk vero e proprio: la struttura ottimale per ottenere la massima stabilità e la massima efficienza possibile è oggetto di studi da parte di molti istituti di ricerca e aziende in tutto il mondo.
I vantaggi delle celle solari a perovskite
Le celle in Pk offrono una serie di vantaggi che le rendono un'alternativa interessante alle celle in silicio (Si). Dal 2009 al 2024, l'efficienza delle celle in Pk ottenuta in laboratorio è passata dal 3,8% al 26,1%, quasi quanto il valore più alto mai raggiunto dalle celle in Si (26,8%). Tuttavia, mentre le celle in Si convertono principalmente la luce rossa e infrarossa, le perovskiti possono utilizzare anche la luce con lunghezza d'onda inferiore. L'approccio più promettente sembra quindi essere quello di combinare strati di Pk e di Si per utilizzare l'intero spettro luminoso per la produzione di energia. Più avanti spiegheremo meglio queste cosiddette celle solari “tandem”.
Le perovskiti consumano nella produzione molta meno energia rispetto al silicio, che richiede temperature superiori ai 1000°C, e grazie agli strati sottili, si consuma molto meno materiale (100 volte!). Le celle in Pk possono essere installate in modo più flessibile grazie a opzioni aggiuntive come il design del colore e la trasparenza. Ciò rende le celle in Pk interessanti per molte superfici che non possono essere coperte con le celle in Si, ad esempio pareti di case, tetti con bassa capacità di carico e molto altro.
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).
Quali sono le sfide?
Finora, quasi tutti i record di efficienza e i risultati di progettazione sono stati raggiunti con celle in perovskite in laboratorio e su piccole superfici; la scalabilità e la produzione industriale sono ancora, per la gran parte, in sospeso. Il problema principale nella pratica è la durata e la robustezza delle celle in Pk: sono più sensibili all'umidità e alle influenze ambientali rispetto alle celle in Si (durata di circa 25-30 anni), per cui la loro durata è attualmente stimata da mesi a pochi anni.
Attualmente è in corso un'intensa attività di ricerca per aumentarne la durata. Esistono diversi approcci, come la limitazione della mobilità degli ioni, la riduzione delle reazioni chimiche (mediante incapsulamento) e l'utilizzo di strati limite più robusti. In un articolo pubblicato su Nature all'inizio dell'anno, dei ricercatori cinesi descrivono come sono riusciti a creare, utilizzando un movimento controllato di ioni limitato allo strato di perovskite, celle in Pk stabili che hanno ottenuto ottime prestazioni anche in prove di carico a lungo termine.
Cosa sono le celle solari tandem?
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.