Forscher haben eine Bio-Brennstoffzelle in Folienform entwickelt, die Energie aus dem Schweiß der Fingerspitzen gewinnen kann. Außerdem ist das winzige Gerät mit einem piezoelektrischen Generator ausgestattet, der bei Druck zusätzlichen Strom produziert. Der Nutzer muss dafür nichts weiter tun, als es bei alltäglichen Tätigkeiten oder auch in Ruhephasen am Finger zu tragen. Der Strom reicht aus, um beispielsweise eine elektrische Armbanduhr zu betreiben. Auch tragbare Sensoren oder Mini-Displays ließen sich so mit Energie versorgen, wie die Wissenschaftler erklären.
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.
„Das Gerät ist etwa einen Quadratzentimeter groß und das Material ist so flexibel, dass man sich keine Sorgen machen muss, dass es zu starr ist oder sich komisch anfühlt. Man kann es bequem über einen längeren Zeitraum hinweg tragen“, sagt Yin. Dafür lässt sich der Energiesammler wie ein Pflaster um den Finger wickeln. Außer der Bio-Brennstoffzelle sind piezoelektrische Generatoren integriert, die mechanische Energie in Elektrizität umwandeln. Werden die Generatoren gedrückt – etwa weil der Nutzer auf einer Maus klickt oder Klavier spielt – entsteht zusätzlicher Strom.
Energiequelle für Uhr, Minidisplay oder Sensoren
„Während einer Stunde Schreibtischarbeit sammelte das Gerät 28,4 Millijoule“, berichten die Forscher. Die Testperson tippte während dieser Zeit auf einer Tastatur und klickte gelegentlich mit der Maus. In einem weiteren Versuch trug die Testperson das Gerät im Schlaf. Das Ergebnis: Ohne jeglichen mechanischen Input sammelte das Wearable allein aus dem Schweiß innerhalb von zehn Stunden 389 Millijoule Energie – genug, um eine elektrische Armbanduhr 24 Stunden lang zu betreiben. Weitere Anwendungsmöglichkeiten demonstrierten die Forscher, indem sie kleine Sensoren an ihren Energiesammler anschlossen. Diese maßen allein mit der Energie aus Schweiß und Druck erfolgreich den Vitamin-C-Spiegel der Versuchsperson sowie den Natriumgehalt einer Kochsalzlösung.
„Unser Ziel ist es, das Gerät für den Einsatz im Alltag zu etablieren“, sagt Yin. „Wir wollen zeigen, dass es nicht nur ein weiteres cooles Gadget ist, das eine kleine Menge an Energie erzeugen kann und das war’s dann. Wir können die Energie tatsächlich nutzen, um hilfreiche Elektronik wie Sensoren und Displays zu betreiben.“ Eine Anwendungsmöglichkeit wären beispielsweise Glukosesensoren für Diabetiker. Für eine leichtere Anwendung planen die Forscher, den Energiesammler beispielsweise in Handschuhe zu integrieren. Außerdem wollen sie ihn effizienter und langlebiger gestalten und ihn mit weiteren Geräten koppeln, um eine neue Generation von selbstversorgten tragbaren Systemen zu schaffen.
Quelle: Lu Yin (University of California San Diego, USA) et al., Joule, doi: 10.1016/j.joule.2021.06.004
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