Neue Technologie wandelt mechanische Energie effektiv in Elektrizität um Schuhsohle könnte Strom fürs Handy liefern - scinexx | Das Wissensmagazin
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Neue Technologie wandelt mechanische Energie effektiv in Elektrizität um

Schuhsohle könnte Strom fürs Handy liefern

Wird der „Energie-Sammler“ in eine Schuhsohle integriert, könnte er rund 10 Watt Energie pro Schuh liefern - genug für mobile Kleingeräte. © Tom Krupenkin, J. Ashley Taylor / Instep Nanopower

In Zukunft könnte vielleicht schon ein Gang um den Block ausreichen, um unser Handy oder andere tragbare Elektrogeräte mit Energie zu versorgen. Denn US-amerikanische Forscher haben jetzt eine Technologie entwickelt, mit der sich die Energie unserer Bewegungen direkt in Strom umwandeln lässt. Dieses als „reverse elektrowetting“ bezeichnete Verfahren könne bis zu 1.000 Watt Leistung pro Quadratmeter erbringen, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Communications“. Es reagiere sowohl auf Vibration als auch auf Druck und sei daher vielseitig einsetzbar.

Ein solches System ließe sich beispielsweise in die Sohle von Schuhen einbauen, schreiben Tom Krupenkin und J. Ashley Taylor von der University of Wisconsin-Madison. Ihren Berechnungen könnte dies einen Ertrag von bis zu 10 Watt pro Fuß liefern – und damit ausreichend Energie, um Handy, iPod oder Sensoren zu betreiben. Übertragen werden könnte der Strom entweder per Kabel, oder aber auch drahtlos, per Funkschnittstelle, sagen die Forscher. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien und Akkus müsse dieser „Energie-Sammler“ zudem nicht extra aufgeladen werden. Die Energie werde schon durch normales Gehen konstant nachgeliefert.

„Menschen sind sehr starke energieproduzierende Maschinen“, sagt Krupenkin. Ein sprintender Mensch könne bis zu einem Kilowatt an Energie erzeugen. „Was bisher fehlte, war eine Technologie, mit der sich diese mechanische Energie effektiv in elektrische umwandeln lässt“, sagt der Forscher. Das neue System schließe nun diese Lücke. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler ihr Verfahren für konkrete Anwendungen anpassen und so praktisch nutzbar machen.

Mikrotröpfchen im Dünnfilm-Sandwich

Die Basis der Technologie bilden zahlreiche Tröpfchen einer leitfähigen Flüssigkeit. Diese liegen zwischen zwei Schichten eines speziell strukturierten Dünnfilms. Jeweils nur bestimmte Bereiche dieses Films sind leitend und dienen als Kontaktfläche.

Bei mechanischem Druck oder Vibration bewegen sich die Tröpfchen und ihre Überlappung mit der Kontaktfläche verändert sich. Wird sie kleiner, fließt ein Teil der normalerweise zwischen Dünnschicht und Tropfen gehaltenen elektrischen Spannung über einen elektrischen Leiter ab. Dieser „überschüssige“ Strom kann nun zum Betreiben von elektrischen Geräten genutzt werden.

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Je höher die Anzahl der aneinander gereihten Tröpfchen, desto höher sei dabei die Stromausbeute, sagen die Forscher. Ein in die Schuhsohlen integriertes System müsste rund 1.000 Tröpfchen umfassen, um rund zehn Watt pro Schuh zu liefern. Quasi „im Gänsemarsch“ bewegen sich dann die Tröpfchen in einem eng gewundenen Kanal zwischen zwei Flüssigkeitsreservoirs hin und her und erzeugen so Strom.

a: Stromerzeugung durch Vibration: Die Tropfen der leitfähigen Flüssigkeit (rot) liegen zwischen zwei Dünnfilm-Schichten mit Elektroden (gelb). b: Stromerzeugung durch Verschiebung der Tropfen (rot) gegenüber den im Dünnfilm eingelassenene Elektroden (gelb), c: Stromerzeugung durch Druck, d: Prinzip des „reverse electrowetting“: Der leitfähige Tropfen (blau) überlappt mal mehr, mal weniger mit einem leitfähigen Kontaktbereich (Elektrode, schwarz), die Verkleinerung dieses Kontaktbereichs lässt Spannung fließen. © Tom Krupenkin, J. Ashley Taylor

Neues System schließt Lücke zwischen ganz klein und ganz groß

Technologien, die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandeln, existierten bisher fast nur im Makro- oder Mikromaßstab, schreiben die Forscher. Auf der einen Seite stehen dabei Großgeräte wie Windanlagen, auf der anderen leistungsschwache Umwandler in Uhren oder einigen Sensoren. „Was bisher fehlte, ist die Leistung im Wattbereich“, sagt Taylor. Diesen für die portable Elektronik benötigten Energiebereich decke nun das neue System ab.

Nach Ansicht der Forscher werden sich Akkus und Batterien zwar in naher Zukunft noch nicht komplett einsparen lassen. Der neue „Energie-Sammler“ könne aber dazu beitragen, ihre Zahl zu reduzieren. Damit würden dann auch Kosten und Umweltbelastung durch die Batterieproduktion und Entsorgung sinken. (Nature Communications, 2011; DOI: 10.1038/ncomms1454)

(Nature Communications / University of Wisconsin-Madison / dapd, 24.08.2011 – NPO)

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