Intelligente Schrauben sichern kritische Infrastrukturen und funken Status

Würde der Toyota bZ4X über die intelligenten Schrauben verfügen, hätte es die neue Rückrufaktion nicht gegeben. Forschende des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT haben eine Technologie entwickelt, die die Verbindungen an kritischen Infrastrukturen sichern sollen. Die intelligenten Schrauben warnen sogar davor, wenn sie sich zu lösen drohen.

Intelligente Schrauben mit Datenübertragung via Funk

Schrauben gelten gemeinhin als sichere Verbindungsmöglichkeit. Immerhin finden wir sie fast überall: Vom Kran über Windkraftanlagen bis hin zu PC-Monitoren und Peripheriegeräten. Doch Verschleiß und andere Einflüsse wie Temperaturschwankungen oder Schwingungen können dafür sorgen, dass sich die Schrauben irgendwann möglicherweise lockern oder ganz lösen. Das kann mitunter fatale Folgen haben (*hust* Toyota *hust*).

Ein Team von Forschenden des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies (CCIT) hat nun möglicherweise die Lösung parat. Denn gemeinsam hat man eine intelligente Schraubverbindung entwickelt, die nicht nur eine Fernüberwachung der Verbindung erlaubt, sondern auch noch energieautark arbeitet.

Die intelligente Schraube wird mit einer Unterlegscheibe versehen, die über eine piezoresistiven DiaForce-Dünnschicht verfügt. Diese wiederum verfügt über eine Sensorik, die auf Druck reagiert und an drei Stellen die Vorspannkraft registriert, die beim Anziehen der Schraube entsteht.

„Wenn sich eine Schraube löst, wird die daraus resultierende Änderung des Widerstands an ein Funkmodul gemeldet, das auf dem Schraubenkopf sitzt. Das Funkmodul wiederum sendet die Daten an eine Basisstation, die die Infos aller relevanten Schrauben des jeweiligen Objekts einsammelt“, erklärt Dr. Peter Spies, Projektleiter und Gruppenleiter Integrierte Energieversorgungen am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS.

Datenübertragung per mioty-Funkprotokoll

Während die DiaForce-Schicht vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelt wurde, steuerte das Fraunhofer IIS das Funkprotokoll mioty (Low Power Wide Area Network – LPWAN) bei.

Dank dieser Technologie ist es möglich, kleine Datenmengen bei niedrigstem Energieverbrauch über große Entfernungen hinweg zu übertragen. Mehrere Hunderttausend Sensoren übertragen ihre Daten dabei an eine einzige Basisstation, die sich sogar in mehreren 100 Metern oder gar einigen Kilometern Entfernung befinden darf.

Per Software erhält man dann eine grafische Übersicht über alle intelligenten Schrauben und deren Zustand. Dabei kann die Überwachung relativ frei konfiguriert werden und überträgt den Status der Schraubverbindungen wahlweise permanent, eventbasiert oder in festgelegten Zeitabständen.

Dabei lassen sich die entwickelten intelligenten Schraubverbindungen in verschiedenen Anwendungsgebieten nutzen. „Egal, ob für Flanschverbindungen in der Industrie, die Bolzen in Stahlträgern an Hochhäusern, die tragenden Teile von Brücken oder die Befestigung von Rotoren an Windkraftanlagen – für jedes Szenario lässt sich das System individuell konfigurieren und auf das jeweilige Belastungsprofil abstimmen,“ schreibt man in der Pressemitteilung.

Das gesamte System arbeitet zudem mit dem Energy Harvesting-Prinzip. Wärme und Lichtenergie werden genutzt, um Strom zu erzeugen. Bereits die minimalen Temperaturunterschiede zwischen Schraubenkopf und Umgebung seien ausreichend. Ebenso sei es möglich, Strom durch Solarzellen zu generieren, womit das System energieautark arbeitet.

Verschlüsselung und Schutz

Auch an die Sicherheit der intelligenten Schrauben haben die Forschenden gedacht. Beim Installationsprozess werden sämtliche einzelnen Schrauben samt Sensoreinheit und Funkmodul in eine abhörsichere Inbetriebnahme-Box gelegt und via RFID verschlüsselt.

Auch die Funkstrecke zwischen Schraube und Basisstation wird zusätzlich verschlüsselt. „So verhindern wir, dass Kriminelle oder Hacker das System sabotieren können. Das Technikpersonal, das beispielsweise eine Windkraftanlage überwacht, kann sich auf die Daten wirklich verlassen“, erklärt Spies.

Die Technologie der intelligenten Schrauben ist für sämtliche handelsüblichen DIN-Schrauben konzipiert worden. Zunächst in Schrauben der Größe M18, demnächst soll es aber auch Variationen für M20 und M36 geben.