Ob Fitness-Armbänder, medizinische Sensoren oder Smartwatches: Kleine elektronische Geräte, die am Körper getragen werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die meisten dieser sogenannten Wearables sind allerdings bisher auf eine externe Energieversorgung angewiesen, in der Regel in Form von Batterien. Einige Geräte setzen auf integrierte Solarkollektoren – mit dem Nachteil, dass sie auf den äußeren Faktor Licht angewiesen sind und bei Dunkelheit nicht laden können. Andere nutzen bereits Bewegungen ihres Trägers aus. Um ausreichend Strom zu erzeugen, muss sich der Nutzer aber oft deutlich anstrengen.
Energie ohne Anstrengung
Ein Team um Lu Yin von der University of California San Diego hat nun ein kleines, am Finger tragbares Gerät entwickelt, das mit Hilfe einer Bio-Brennstoffzelle Energie aus Schweiß erzeugt. Ein integrierter piezoelektrischer Generator nutzt zusätzlich mechanische Energie, um weiteren Strom zu erzeugen. „Wir wollten wir ein Gerät schaffen, das an die tägliche Aktivität angepasst ist und fast keine Energieinvestition erfordert – man kann das Gerät komplett vergessen und schlafen gehen oder Schreibtischarbeit wie Tippen erledigen und trotzdem weiterhin Energie erzeugen. Man kann es ‘Energie aus dem Nichtstun’ nennen“, sagt Yins Kollege Joseph Wang. Anders als bisherige Geräte, die auf Energie aus Schweiß setzen, muss der Nutzer für das neue Wearable keine schweißtreibenden Tätigkeiten verrichten.
„Durch die Nutzung des Schweißes auf der Fingerspitze – der auf natürliche Weise entsteht, unabhängig davon, wo man sich befindet oder was man tut – bietet diese Technologie einen Netto-Energiegewinn ohne Anstrengung für den Benutzer. Das ist das, was wir eine maximale Energierendite nennen“, sagt Wang. Für die Fingerspitzen entschieden sich die Forscher, weil die Dichte an Schweißdrüsen hier besonders hoch ist. „Die Schweißmenge am Finger kann bis zu einigen Mikrolitern pro Quadratzentimeter und Minute betragen“, erklärt Yin. „Das ist signifikant mehr als an anderen Stellen des Körpers, wo die Schweißraten zwei oder drei Größenordnungen kleiner sind.“
Schweiß von den Fingerspitzen
Eine Herausforderung für die Forscher war allerdings, den Schweiß von einer so kleinen Fläche zu sammeln und nutzbar zu machen, ohne dass das Wearable zu groß, zu dick oder zu fest wird. Dazu bedurfte es einer innovativen Werkstofftechnik. Um die Schweißausbeute zu maximieren, kombinierten die Forscher ein spezielles Hydrogel mit einem Schaumstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese nehmen den Schweiß auf und leiten ihn für die Stromerzeugung an spezielle Elektroden weiter. Die Anode ist mit einem Bioenzym ausgestattet, das dem Laktat aus dem Schweiß Elektronen entzieht. An der Kathode verwandeln diese Elektronen Sauerstoff in Wasser. Als Katalysator dient dabei eine kleine Menge Platin an der Kathode. Solange Laktat vorhanden ist, läuft der Prozess automatisch ab – und der Elektronenfluss sorgt für elektrischen Strom, der in einem kleinen Kondensator gespeichert und bei Bedarf an andere Geräte abgegeben wird.
