Strom erzeugen auf Schritt und Tritt

Tom Krupenkin und J. Ashley Taylor von der University of Wisconsin in Madison präsentieren das Konzept eines Generators, der aus mechanischer Energie, wie sie beim Gehen oder durch Schwingungen entsteht, Strom erzeugt. Er soll künftig tragbare elektronische Geräte wie Handys oder Laptops mit Energie versorgen.

Die Ingenieure kehren dazu ein Prinzip um, das als Electro-wetting oder Elektrobenetzung bekannt ist. Bei diesem Phänomen sorgt eine von außen angelegte Spannung dafür, dass Tropfen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit eine vergrößerte Kontaktfläche mit der dielelektrischen Oberfläche einnehmen, auf der sie sich befinden. In Umkehrung dessen legten die Forscher bei ihren Experimenten eine feste äußere Vorspannung an die Elektroden ihrer Minigeneratoren und ließen auf die leitenden Tröpfchen mechanische Kräfte aus der Umgebung wirken. Die Schwingungen, Scher- oder Druckkräfte verformten die Tröpfchen periodisch. Dadurch variierte die Kontaktfläche mit den dielektrisch beschichteten Elektroden. Elektrische Ladung, die an den Elektroden durch die elektrostatischen Kräfte zwischen Elektrode und Tröpfchen festgehalten worden war, gelangte zum Teil in den Stromkreis. Durch die Spannung im Stromkreis gelangte diese freie Ladung zu einem Lastwiderstand, wo sie in elektrische Leistung umgewandelt wurde. Das Konzept funktioniert demnach wie ein Kondensator, dessen Kapazität sich durch externe mechanische Kräfte verändert.

In einem Anwendungsbeispiel stellten die Forscher einen Schuh mit integriertem Minigenerator vor: Tausend Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von einem Millimeter werden in einem Mikrokanal aufgereiht. Dieser bedeckt macht in seiner Fläche weniger als ein Viertel eines typischen menschlichen Fußabdrucks aus. Um die Flüssigkeit durch den Kanal hin und her zu quetschen und so Strom zu erzeugen, befindet sich in Ferse und Vorderfuß des Schuhs je eine Kammer. Zwischen diesen Kammern verläuft der Mikrokanal. Beim Auftreten presst das Gewicht des Trägers, die Flüssigkeit durch den Kanal von einer Kammer in die andere. Die Forscher gehen davon aus, dass bis zu zehn Watt pro Fuß an elektrischer Leistung erzeugt werden können, ohne den Gang des Schuhträgers zu beeinträchtigen. Handelsübliche tragbare Elektronik benötigt eine Leistung zwischen einem und fünfzehn Watt. Die nötige Vorspannung für ihren Generator wollen die Forscher aus einer gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterie beziehen.

Philipp Hummel

OD