Neue Kunststoffelektronik kann Lebensmittelverschwendung weltweit erheblich reduzieren

Forscher haben eine Schaltung erfunden, mit der getestet werden kann, ob Lebensmittel in Verpackungen noch sicher zu essen sind. Diese Entwicklung sollte die Menge an essbaren Nahrungsmitteln, die jeden Tag verschwendet werden, drastisch reduzieren.

Jedes Jahr werden Millionen Tonnen Lebensmittel weggeworfen, da das Mindesthaltbarkeitsdatum abgelaufen ist. Dieses Datum ist jedoch immer eine vorsichtige Schätzung, was bedeutet, dass viele noch essbare Lebensmittel weggeworfen werden. Wäre es nicht praktisch, wenn die Verpackung testen könnte, ob der Inhalt noch sicher zu essen ist? Forscher der Technischen Universität Eindhoven, der Universität Catania, der CEA-Liten und der STMicroelectronics haben eine Schaltung erfunden, die dies ermöglicht: einen Analog-Digital-Wandler aus Kunststoff. Diese Entwicklung bringt Kunststoffsensorkreise für weniger als einen Cent in greifbare Nähe. Abgesehen von Lebensmitteln bieten diese äußerst kostengünstigen Kunststoffschaltungen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten, einschließlich Pharmazeutika. Die Erfindung wurde letzte Woche auf der ISSCC in San Francisco vorgestellt, der weltweit wichtigsten Konferenz zu Halbleiterschaltungen.

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Verbraucher und Unternehmen in Industrieländern werfen pro Person ca. 100 kg Lebensmittel weg (*), vor allem, weil das Mindesthaltbarkeitsdatum auf der Verpackung abgelaufen ist. Diese Abfälle sind schlecht für das Budget der Verbraucher und für die Umwelt. Ein Großteil dieser Verschwendung ergibt sich aus der Schwierigkeit, abzuschätzen, wie lange Lebensmittel verwertbar bleiben. Um das Risiko des Verkaufs von verdorbenen Lebensmitteln an Verbraucher zu minimieren, weisen die Hersteller eine relativ kurze Haltbarkeit ihrer Verpackungen auf.

Weniger als ein Cent

Um Lebensmittelverschwendung zu bekämpfen, könnten Hersteller beispielsweise eine elektronische Sensorschaltung in ihre Verpackung aufnehmen, um den Säuregehalt der Lebensmittel zu überwachen. Der Sensorkreis kann mit einem Scanner oder mit Ihrem Mobiltelefon abgelesen werden, um die Frische Ihres Steaks anzuzeigen oder um festzustellen, ob Ihre gefrorenen Lebensmittel aufgetaut wurden. Der Forscher Eugenio Cantatore von der Technischen Universität Eindhoven (TU / e): „Mit Standard-Silizium-ICs ist das im Prinzip schon alles möglich. Das einzige Problem ist, dass sie zu teuer sind. Sie kosten leicht zehn Cent. Und diese Kosten sind zu hoch für eine Tüte Chips mit einem Euro. Wir entwickeln derzeit elektronische Geräte, die aus Kunststoff und nicht aus Silizium bestehen. Der Vorteil ist, dass Sie diese Kunststoffsensoren problemlos in Kunststoffverpackungen einbauen können. “Der Kunststoffhalbleiter kann sogar auf allen Arten von flexiblen Oberflächen bearbeitet werden, wodurch die Verwendung kostengünstiger wird. Und es sind Sensorschaltkreise mit Kosten von weniger als einem Eurocent realisierbar.

Der Kunststoff-Analog-Digital-Wandler (ADC). Der gezeigte ADC ist immer noch relativ groß, in seiner endgültigen Form wird er kleiner sein. Foto: Bart van Overbeeke.

Der allererste ADC

Den Forschern ist es gelungen, zwei verschiedene Kunststoff-ADCs (Analog-Digital-Wandler) herzustellen. Jedes wandelt analoge Signale, wie z. B. den von einem Sensor gemessenen Ausgangswert, in digitale Form um. Eines dieser neuen Geräte ist der allererste ADC, der jemals hergestellt wurde. „Dies ebnet den Weg zu großflächigen Sensoren auf Kunststofffolien auf kostengünstige Weise durch Herstellungsansätze“, sagt Isabelle Chartier, Geschäftsentwicklerin für Elektronik bei CEA-Liten. Die ISSCC bewertete die Arbeiten zu diesen Erfindungen als Höhepunkte der Konferenz.

Fehlender Link

Die neuen Kunststoff-ADCs bringen Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie in greifbare Nähe. Eine Sensorschaltung besteht aus vier Komponenten: dem Sensor, einem Verstärker, einem ADC zum Digitalisieren des Signals und einem Funksender, der das Signal an eine Basisstation sendet. Der Kunststoff-ADC war das fehlende Glied. Die anderen drei Komponenten sind bereits vorhanden. "Jetzt, da wir alle Teile haben, brauchen wir die Integration", sagt Cantatore. Er geht davon aus, dass es noch mindestens fünf Jahre dauern wird, bis wir die neuen Geräte in den Regalen der Supermärkte sehen können. Weitere potenzielle Anwendungen sind Pharmazeutika, Mensch-Maschine-Schnittstellen und Ambient Intelligence-Systeme in Gebäuden oder im Transportwesen.

Komplexe Mathematik

Diese Entwicklung durchzuführen war keine leichte Aufgabe. Die elektrischen Eigenschaften von „gewöhnlichen Transistoren“ sind sehr gut vorhersehbar, während die von Kunststofftransistoren stark variieren. „Alle Kunststofftransistoren verhalten sich in den kostengünstigen Produktionsprozessen bei niedrigen Temperaturen unterschiedlich“, erklärt Cantatore. „Das erschwert den Einsatz in Geräten erheblich. Sie benötigen komplexe mathematische Modelle, um ihr Verhalten genau vorhersagen zu können. “

Die ED-ADC-Schaltung bietet eine Auflösung von vier Bit und eine Geschwindigkeit von zwei Hertz. Die von CEA-Liten entwickelten Schaltungen enthalten mehr als 100 Transistoren vom n- und p-Typ und einen Widerstandswert auf transparenten Kunststoffsubstraten. Die Ladungsträgermobilität der ed-Transistoren liegt über dem in der Displayindustrie weit verbreiteten amorphen Silizium.

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