CSEM - Am CSEM entwickelter Chipless-Etikettleser (kurze und lange Reichweite): ein tragbares Gerät zur Visualisierung der gemessenen Parameter, Leser mit integrierter Antenne und Chipless-Tags mit kurzer Reichweite.

Forschende von der Empa, der EPFL und CSEM haben eine smarte und «grüne» Sensoretikette entwickelt, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Echtzeit misst – und auch erkennen kann, ob eine Temperaturschwelle überschritten wurde. Damit können in Zukunft empfindliche Lieferungen wie etwa Medikamente oder Lebensmittel überwacht werden. Die elektronische Etikette selbst ist dabei komplett bioabbaubar. Die vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und Innosuisse im Rahmen des BRIDGE Discovery-Programms finanzierte elektronische Etikette ist die erste ihrer Art, die komplett abbaubar ist.

Chipfreie Etiketten als Identifikationsmittel und Sensoren

Grosse Ströme von Gütern umkreisen jeden Tag den Globus. Darunter finden sich auch besonders empfindliche Lieferungen, etwa gewisse Impfstoffe, Medikamente und Lebensmittel. Damit diese Produkte sicher am Zielort ankommen, müssen sie während ihrer gesamten Lieferkette in einem bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich bleiben. Aber wie stellen wir das sicher? Es ist kostspielig und nicht nachhaltig, jede einzelne Liefereinheit mit Silicium-basierten Sensoren und Chips auszustatten. Und Messungen an Knotenpunkten in der Lieferkette sagen nichts darüber aus, was der empfindlichen Sendung auf dem Weg dorthin bereits widerfahren ist.

Dieser Herausforderung haben sich Forschende der Empa, der EPFL und des CSEM in einem vierjährigen Projekt namens «Greenspack» gestellt. Gemeinsam haben sie eine smarte Etikette entwickelt, die die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit misst, und sich daran «erinnern» kann, wenn eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten wurde. Dabei ist der kleine Aufkleber nicht nur Silicium-frei, sondern auch vollständig biologisch abbaubar. «Wenn wir beispielsweise von Impfungen sprechen, könnte dies heissen, dass die Lieferung nicht mehr verwendet werden darf, oder dass das Mindesthaltbarkeitsdatum ungültig ist», erklärt Gustav Nyström, Leiter des Empa-Labors «Cellulose and Wood Materials», der das Forschungsprojekt geleitet hat.

Nachhaltige Stromkreise mit Gedächtnis

Um seine Aufgabe zu erfüllen, benötigt das Etikett weder eine Batterie noch einen Siliziumchip-Sender. Vielmehr basiert sie auf einem drahtlosen elektrischen Resonator aus hochleitfähigen und stabilen Zinkspuren, die durch ein natürliches Wachs geschützt sind. Wenn diese Stromkreise einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt werden, beispielsweise von einem drahtlosen Etikettenleser, entsteht eine Resonanz, die das Lesegerät entschlüsseln kann. Wird die Schwellentemperatur überschritten, schmilzt ein festes biobasiertes Öl über dem Schaltkreis und verändert diese Resonanz. Beim nächsten Ablesen zeigt die Etikette an: Diese Sendung war einmal zu warm.

Je nach Art des verwendeten Öls können verschiedene Temperaturschwellenwerte eingestellt werden, darunter gefrorenes Oliven-, Jojoba- und Kokosnussöl, die bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzen und irreversible Resonanzfrequenzverschiebungen auslösen. Nach dem Schmelzen wird das Öl von einem darunter liegenden Zellulosematerial absorbiert, wodurch das Etikett bei unterschiedlichen Neigungswinkeln zuverlässig funktioniert.

Das Team des Soft Transducers Laboratory (LMTS) der EPFL fertigte den Sensor auf einem Verbundsubstrat aus Biopolymer- und Zellulosefasern, das an der Empa entwickelt wurde, basierend auf einem Design und einer Auslesetechnologie, die von CSEM designt wurden. Das Betriebssystem umfasst ein speziell entwickeltes Lesegerät und eine Software, die in der Lage ist, chipless RFID-Tags zu erkennen und zu klassifizieren. „Wir haben die Hauptkomponentenanalyse (PCA) verwendet, um Tags anhand ihrer Resonanzfrequenzantworten zu kategorisieren, und eine spezielle Software zur Verwaltung numerischer Identifikatoren“, erklärt Oleksandr Vorobyov, EM- und Antennenexperte am CSEM.

Vorgestellt in Nature Communications

Das GREENsPACK-Team ist Mitautor einer Veröffentlichung, in der das Gerät beschrieben wird und die kürzlich im Fachjournal Nature Communications erschienen ist. Darüber hinaus arbeitet das LMTS-Team an der Kommerzialisierung dieser Erkenntnisse bei Circelec, einem Start-up-Unternehmen für recycelbare und biologisch abbaubare Elektronik, das aus der EPFL hervorgegangen ist.

„Diese Arbeit stellt eine grüne Technologieplattform zur Herstellung von Leiterplatten dar, um Elektronikschrott zu reduzieren, der ein grosses Umweltproblem darstellt: Im Jahr 2022 wurden weltweit 62 Megatonnen Elektronikschrott produziert – das entspricht 16 Eiffeltürmen pro Tag –, von denen nur 22 % ordnungsgemäss recycelt wurden“, erklärt Danick Briand von LMTS.

Weiterführende Informationen

> Artikel in Nature Communications (auf Englisch)
J Bourely, N Fumeaux, X Aeby, J Kim, G Siqueira, C Beyer, D Schmid, O Vorobyov, G Nyström, D Briand: Ecoresorbable chipless temperature-responsive tag made from biodegradable materials for sustainable IoT; Nature Communications (2025)

> Das GREENsPACK projekt auf dem SNF Portal (Schweizerischer Nationalfonds)

Quelle: Innovative Lösung für nachhaltige intelligente Verpackungen, die chipless RFID-Tags und ein biologisch abbaubares Substrat kombiniert.