Energie auf Schritt und Tritt – und zwar in durchaus nennenswerten Mengen – soll eine neuartige Schuheinlage liefern, mit der sich womöglich bald Handys und andere mobile Elektrogeräte beim Laufen aufladen lassen. Das Verfahren, das nach Angaben der Erfinder kurz vor der Kommerzialisierung steht, wandelt die Bewegungsenergie mit einem ungewöhnlichen Mikrofluidikverfahren in Strom um.
Die Technik ist beileibe nicht der erste Versuch, die Energie zu nutzen, die beim Gehen normalerweise als Wärme verlorengeht. Er sei jedoch der erste, der dabei praktikable Mengen an Energie liefert, berichten die beiden Entwickler Tom Krupenkin und Ashley Taylor von der University of Wisconsin-Madison: Bis zu 20 Watt könnten unter Umständen beim Laufen erzeugt werden. Das ist mehr als genug für ein angeschlossenes Smartphone. Frühere Ansätze brachten es lediglich auf eine Leistung im Bereich von Milliwatt.
Eine Studie des Strom erzeugenden Schuhs | So stellen sich die Entwickler Krupenkin und Taylor die Mikrofluidikeinlage vor. Um die Tröpfchen durch das Kanalsystem zu pumpen, genügt es ihren Berechnungen zufolge, das Reservoir um zwei Millimeter einzudrücken – den Gang düfte dies nicht merklich beeinflussen. Ihr Produkt wollen die Forscher über ihre Firma InStepNanoPower vermarkten.
Um den Strom zu produzieren, kamen die Forscher auf die Idee, einen Prozess auf den Kopf zu stellen, der als Elektrobenetzung (auch: Electrowetting) bekannt ist: Dabei zwingt man Tropfen einer leitfähigen Flüssigkeit dazu, eine eigentlich Wasser abweisende Oberfläche zu benetzen, indem man an das System eine Spannung anlegt. Schaltet man diese ab, ziehen sie sich wieder zusammen.
Dieses Prinzip kehrten Krupenkin und Taylor nun um. Jetzt zwingt die Bewegung des Fußes die Tropfen dazu, ihre Kontaktfläche mit dem Wasser abweisenden Träger zu vergrößern. Die dazu nötige Energie lässt sich dem System in Form von elektrischem Strom entnehmen.
Um auf die erforderlichen Energiemengen zu kommen, skalierten die beiden Forscher ihre Apparatur durch Rückgriff auf Mikrofluidiktechnologie. Statt einen einzelnen Tropfen auf einer Oberfläche zu platzieren, füllten sie über 100 davon in ein Millimeter dicke Kanälchen. Deren Wände bestanden aus einem für die Elektrobenetzung geeigneten Material (ein Dünnschichtdielektrikum) und waren mit den erforderlichen Elektroden versehen. Bei jedem Schritt pumpen nun Flüssigkeitsreservoire die Tropfen durch das mehrere Zentimeter lange Kanalsystem.
Das Prinzip der Elektrobenetzung | Bei der Elektrobenetzung wird ein Tropfen einer leitenden Flüssigkeit durch Anlegen einer elektrischen Spannung dazu gebracht, sich über eine hydrophobe Oberfläche auszubreiten. Grund dafür ist die geänderte Ladungsverteilung. Die beiden Elektroden sind dabei durch ein Dielektrikum getrennt.
Die Technologie zur Herstellung solcher tröpfchengefüllter Kanäle sei bereits erprobt, so die Erfinder. Entsprechende Systeme kommen zum Beispiel in miniaturisierten Chemielabors zum Einsatz. Daher sind die Forscher zuversichtlich, in Kürze weit über 1000 Tröpfchen durch mehrere Meter lange Leitungen zu schicken. In Schlangenlinien gelegt, würden sie lediglich ein Viertel der Fläche eines Fußabdrucks einnehmen.
Ein Akku sorgt für die zur Stromgewinnung erforderliche Vorspannung, nimmt die erzeugte elektrische Energie auf und liefert sie per Kabel an das Endgerät. Allerdings haben Krupenkin und Taylor sich noch eine weitere Verwendungsmöglichkeit ausgedacht: Um das Kabelgewirr zu vermeiden, könnte ein eingebauter Mobilfunksender dem Handy die energiezehrende Sendearbeit abnehmen und damit die Lebensdauer des Akkus um das Zehnfache verlängern. Er müsste dazu lediglich über Energie sparende Systeme wie Bluetooth Daten mit dem Gerät austauschen, die er dann über die elektrifizierte Schuhsohle in die Umgebung schickt. (jd)
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