Wearables: Energie aus Schweiß und Reibung
Die Stromversorgung ist nach wie vor die Achillesferse vieler Wearables. Abhilfe verspricht da das Ernten von „Körperenergie“ mit einem Konzept, wie es in Smart Cities zum Einsatz kommt.
Ob im Alltag, Sport, Beruf, in der Pflege oder Medizin – Wearables durchdringen nahezu alle Bereiche unseres Lebens. Bis 2024 sollen immerhin über 500 Millionen dieser smarten Mini-Begleiter über den Ladentisch gehen. Eine Schwachstelle allerdings hält sich seit Beginn ihres Siegeszuges hartnäckig: Die Stromversorgung. Die Entwickler haben mittlerweile die Hoffnung auf halb so große Batterien mit doppelter Leistung aufgegeben und fokussieren sich auf energiesparende Elektronik und Funktechnologien, gespeist von aufladbaren Knopfzellen wie etwa der VARTA CoinPower.
Wissenschaftler geben sich damit natürlich nicht zufrieden. Und wer nicht in der Batterieforschung tätig ist, versucht die nötige Energie aus der Umgebung zu gewinnen – auch Energy Harvesting genannt. Und da kommt als Quelle fast alles in Frage: Sonne, Wärme, Bewegung, Radiowellen, Vibration, Geräusche oder Feuchtigkeit. Mit hohen Energiedichten kann man dabei allerdings nicht rechnen. Und natürlich benötigen auch diese Lösungen eine Art Akku, in der Regel einen Superkondensator.
Für elektronische Geräte, die in Körpernähe, am Körper oder sogar im Körper getragen werden bietet sich natürlich der eigene Körper als Energiereservoir an. Immerhin gibt er kontinuierlich etwa 100 Watt allein an thermischer Energie ab. Dazu kommt die Bewegungsenergie, die man zum Beispiel mit Piezoelementen „ernten“ kann. So richtig befriedigend sind die Lösungen bislang jedoch noch nicht.
Strom aus Schweiß
Nanoingenieure der University of California, San Diego (UCSD) kombinieren deshalb in einem sogenannten "Wearable Microgrid" verschiedene, komplementäre Energiequellen miteinander. Als Vorbild dient dabei das Microgrid einer Smart City, welches sich hauptsächlich aus Wind und Sonne speist.
Die am Körper getragene Anordnung der Wissenschaftler aus San Diego besteht zum einen aus Biotreibstoffzellen (BFC), die mithilfe enzymatischer Oxidation des im Schweiß reichlich vorhandenen Laktats Bioenergie erzeugen. Die Leistungsdichte erreicht dabei immerhin mehrere Milliwatt pro Quadratzentimeter (mW/cm 2), der Stromfluss erfolgt allerdings erst verzögert. Parallel dazu liefern triboelektrische Generatoren (TEG) auf dem Shirt bei Bewegung sofort verfügbare aber instabile Energie. Die Speicherfunktion übernimmt ein Superkondensator, der sowohl den Hochspannungseingang vom TEG als auch den Niederspannungseingang vom BFC regelt und das Gerät kontinuierlich mit Strom versorgt.
Synergetisch und komplementär
Das System läuft synergetisch und komplementär, so dass sich die Defizite der beiden Generatoren zusammengenommen ausgleichen. Bewegt sich der Nutzer, erzeugen die triboelektrischen Generatoren sofort Energie. Kommt er dann ins Schwitzen, springen die Biotreibstoffzellen an. Sie liefern auch noch Strom, wenn der Träger der smarten Kleidung längst aufgehört hat, sich zu bewegen.
Die flexiblen, waschbaren Elektronikbauteile des Microgrids werden auf ein T-Shirt aufgedruckt und für eine optimale Energiegewinnung positioniert. So finden sich etwa die Biotreibstoffzellen auf Brusthöhe an der Innenseite des Textils. Die triboelektrischen Generatoren sitzen dagegen auf der Außenseite des Shirts an den Unterarmen und seitlich an den Hüften.
In Tests speiste diese Anordnung während zehnminütiger Belastungsübungen (Radfahren oder Laufen), gefolgt von zwanzigminütigen Ruhephasen eine LCD-Armbanduhr und ein kleines elektrochromes Display durchgängig mit Strom.
Knowledge Base
Paper: “A Self-Sustainable Wearable Multi-Modular E-Textile Bioenergy Microgrid System.”
Co-authors include Kyeong Nam Kim, Jian Lv, Farshad Tehrani, Muyang Lin, Zuzeng Lin, Jong-Min Moon, Jessica Ma, Jialu Yu and Sheng Xu.