Sensorik Smartes Etikett schützt empfindliche Güter

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Forschende der Empa, der EPFL und des CSEM haben ein smartes und biologisch abbaubares Sensoretikett entwickelt, das Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Echtzeit misst – und auch erkennt, ob eine Temperaturschwelle überschritten wurde. Damit können in Zukunft empfindliche Lieferungen überwacht werden.

Große Ströme von Gütern umkreisen jeden Tag den Globus. Darunter finden sich auch besonders empfindliche Lieferungen, etwa 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 kann das sichergestellt werden? 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.

Was leistet das Etikett?

Dieser Herausforderung haben sich Forschende der Empa, der EPFL und des CSEM in einem vierjährigen Projekt namens Greenspack gestellt. Gemeinsam haben sie ein smartes Etikett entwickelt, das 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. Das Projekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der Innosuisse im Rahmen des Bridge-Discovery-Programms gefördert.

Wie funktioniert das smarte Etikett?

Um ihre Aufgabe zu erledigen, braucht die smarte Etikette weder eine Batterie noch einen Sender. Vielmehr funktioniert sie ähnlich wie ein RFID-Chip.

Sie enthält gedruckte Bahnen aus leitenden Materialien, die Stromkreise mit ohmschen und kapazitiven Elementen bilden.

• Werden diese Stromkreise einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt, beispielsweise durch einen Etikettenleser, entsteht eine Resonanz, die vom Leser entziffert werden kann.

• Das Raffinierte daran: Je nach Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit verändern sich die Leitfähigkeit und die Kapazität der einzelnen Stromkreise und somit auch ihre Resonanz.

• Diese Änderung gibt Auskunft über die aktuelle Temperatur und Feuchtigkeit – ganz ohne komplizierte Messtechnik.

• Doch damit nicht genug – die Forschenden wollten der Etikette auch eine Art Gedächtnis verleihen. Wird die Temperatur von 25° überschritten, schmilzt ein winziges Element in einer der Leiterbahnen, wodurch der Stromkreis irreparabel unterbrochen wird. Beim nächsten Ablesen zeigt das Etikett an: Diese Sendung war einmal zu warm.

Wie schont das Etikett die Umwelt?

Diese Technologie entlastet die Lieferkette und reduziert ihren CO2-Fußabdruck: Potenziell beschädigte Waren werden so früher erkannt und müssen nicht weitergeschickt werden. Ist die Lieferung durch die Temperatureinwirkung lediglich weniger lang haltbar geworden, so kann sie etwa an einen näheren Einsatzort umgeleitet werden. "Je nach den Materialien, die wir verwenden, können wir die Temperaturschwelle auch anders setzen", ergänzt Nyström. Denkbar wären zum Beispiel Etiketten für tiefgefrorene Güter.

Wie ist es gelungen, das Etikett biologisch abbaubar zu designen?

Die Vision der Forschenden ist, das Etikett am Zielort zu kompostieren oder dem Kartonrecycling zuzuführen, weil es komplett biologisch abbaubar ist. Für das Substrat haben die Empa-Forschenden eigens ein Material entwickelt, das aus einem Biopolymer sowie aus Cellulose-Fasern besteht. Um die Leiterbahnen zu drucken, nutzten die Forschenden der Empa und der EPFL eine eigens entwickelte Tinte, die das biologisch resorbierbare Metall Zink enthält. Forschende des CSEM arbeiteten unterdessen am Aufbau der Etikette sowie an der Auslesetechnologie.

Die Arbeit mit biologisch abbaubaren Materialien ist immer eine Herausforderung – denn sie sollen sich natürlich erst dann zersetzen, wenn ihre Arbeit getan ist. Außerdem mussten die einzelnen Komponenten der Etikette nur sehr selektiv auf die Umgebungsbedingungen reagieren: "Wir wollten nicht, dass der Temperatursensor auf Feuchtigkeit anspricht und umgekehrt", sagt Nyström. Gemeinsam gelang es den Projektpartnern, die Probleme zu lösen. Zwei EPFL-Forschende sind nun daran, die Erkenntnisse aus Greenspack mit einem Start-up namens "Circelec" zu kommerzialisieren.

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Literatur:

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); doi: 10.1038/s41467-025-65458-9

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