Wat zijn er tegenwoordig toch veel handige draagbare apparaten verkrijgbaar! Niet alleen om mobiel te communiceren, maar ook om je gezondheid in de gaten te houden, je stappen te tellen en bijvoorbeeld je jas te verwarmen. Maar waar haal je de stroom vandaan om al die wearables aan de praat te houden?
Rijkert Knoppers, in: Argus nr. 36, 21 augustus 2018
Wie in de nabije toekomst in een supermarkt gaat winkelen, komt niet alleen met boodschappen thuis maar ook met een behoorlijk opgeladen smartphone. Tenminste … als de boodschappen in de speciaal geprepareerde boodschappentas hebben gezeten, die is ontwikkeld door onderzoekers van de Zweedse Chalmers Universiteit. De hengsels van de tas zijn gemaakt van piëzo-elektrisch garen, een materiaal dat de eigenschap heeft om na vervorming elektriciteit te produceren. Als de volgeladen tas tijdens de wandeling naar huis maar genoeg in beweging is geweest, ontstaat de elektrische stroom dus vanzelf.
Is dit vooruitgang? Zet dit zoden aan de dijk? Hoewel de hoeveelheid opgewekte elektriciteit op deze manier niet spectaculair zal zijn, zou je kunnen zeggen dat het een eerste stap in de goede richting is, zeker gezien de groeiende behoefte aan elektriciteit voor onderweg. Niet alleen voor de mobiele telefoon maar ook voor je tablet, MP3 speler, voicerecorder, digitale camera, oortelefoon, gps toestel, rekenmachine, verwarmd vest en je smartwatch. Maar ook “ouderwetse” toepassingen, zoals hoorapparaten, pacemakers, insulinepompen en kunstnieren kunnen niet zonder stroom.
Het probleem is: deze draagbare apparaten werken allemaal met batterijen. En die batterijen zijn niet alleen uitgeput voordat je het weet, maar ze bevatten ook schadelijke stoffen, zoals cadmium, lood en kwik, die uiteindelijk in het milieu terecht komen. Dus als je op de een of andere manier zelf elektriciteit kan opwekken, is dat een erg aantrekkelijk perspectief. Maar hoe doe je dat? Zoals de sidderaal dat regelt met de in het lichaam ingebouwde elektrische cellen? Daarmee weet het beest een elektrische spanning van maar liefst 500 volt te genereren. Maar een mens beschikt niet over dergelijke elektrocyten, zijn er andere technieken voorhanden?
Schoenen
Laten we eens kijken hoe de Engelse Trevor Baylis dat aanpakte, toen hij in 2001 een wandeling van 160 kilometer in de Afrikaanse Namib woestijn ging maken. In zijn schoenen had hij piëzo-elektrische generatoren gemonteerd en kon zo tijdens het lopen kleine accu’s opladen voor een radio en een mobiele telefoon. Het opladen verliep goed, maar zoals te verwachten was er geen bereik en kreeg Baylis tijdens zijn tocht niemand te spreken.
Na terugkomst startte de 63-jarige uitvinder zijn Electric Shoe Company (ESC), van waaruit hij zijn schoenen met piëzo-elektrisch materiaal wilde gaan produceren. Zijn zoektocht naar financiering had in eerste instantie succes, Texon International, leverancier van schoenonderdelen, stak meteen een half miljoen Engelse pond (ongeveer € 700.000,-) in de startende onderneming. Binnen de in Leicester gevestigde ESC vond ook onderzoek plaats naar andere mogelijkheden rond het plaatsen van een generator in een schoen, zoals een kleine hydro-elektrische generator. Maar volgens Baylis zou het gebruik van piëzo-elektrisch materiaal het meest geschikt zijn voor “elektrische schoenen”, ook uit kostenoverwegingen. ‘We zoeken naar een manier om het materiaal in enorme stroken te produceren,’ vertelde Baylis een jaar later. ‘We zouden het kunnen snijden in afmetingen zo groot als voeten, net zoals geurvreters, en ze verkopen als wegwerp, aanpasbare inlegzolen. Zou dat niet een elegante oplossing zijn?’
Toch was er het probleem, dat piëzo-elektrisch materiaal weliswaar in staat is om zeer hoge voltages te produceren, maar door de inwendige weerstand genereert het slechts een heel geringe stroomspanning. ESC zocht de oplossing onder meer in de mogelijkheid om een piëzo-laminaat te produceren, waarbij dunne lagen piëzo-materiaal op elkaar zijn gelijmd. Hoe het daarna verder verliep met ESC is minder goed gedocumenteerd. Feit is dat het jaarverslag van het bedrijf uit 2004 melding maakte van de aanwezigheid van drie directeuren en drie secretaresses. Op 6 februari 2007 verscheen het meest recente document, waarin stond dat het bedrijf “struck off and dissolved” is, wat onder meer betekent dat het verwijderd is uit het “Register at Companies House”.
Nanomateriaal
In Mexico heeft het Center for Research in Advanced Materials (CIMAV) een andere manier bedacht om schoenen geschikt te maken om elektriciteit op te wekken. Een plat vlak in de zool van een schoen is verbonden met dunne schijfjes van piëzo-elektrisch materiaal van 5 cm doorsnee en een dikte van 3 mm. Door de uitgeoefende krachten op het piëzo-elektrisch materiaal ontstaat een elektrische spanning. ‘We willen de stroomkring van de zool efficiënter maken in verband met het oogsten van de energie,’ verduidelijkt Abel Macias Hurtado, hoofd van de onderzoeksafdeling van CIMAV. ‘Momenteel werken we aan het verhogen van de efficiency.’ Volgens Hurtado is het gebruik van nanogestructureerd materiaal een belangrijk uitgangspunt bij deze aanpak. Met de tijdens het wandelen opgewekte energie konden de onderzoekers inmiddels al een batterij opladen.
Een recente ontwikkeling komt van de Amerikaanse University of Wisconsin-Madison, waar professor Tom Krupenkin een techniek gebruikt die bekend staat als omgekeerde elektrowetting. Hierbij gebeurt de opwekking van elektrische stroom door het persen van vloeistof door minuscule gaatjes. ‘Als mensen wandelen brengt dat veel energie voort,’ aldus Krupenkin. ‘Lopen kan tot 10 watt per schoen opleveren, wat nu verloren gaat als warmte. In totaal 20 watt tijdens de wandel is niet gering, met name als je het vergelijkt met de stroom die de meeste moderne draagbare apparaten nodig hebben.’ Krupenkin heeft met zijn collega Ashley Taylor het bedrijf InStep NanoPower opgericht en ze zijn bezig de techniek te commercialiseren.
Stroom uit je knie
Wat prestaties betreft kan een kniegenerator de opbrengsten van een schoengenerator ruimschoots overtreffen. Het Canadese bedrijf Bionic Power is sinds 2008 bezig met het ontwikkelen van een dergelijk apparaat die vooral bedoeld is voor reddingswerkers en militairen. Zij dragen tijdens hun activiteiten een grote hoeveelheid elektronische apparatuur met zich mee, zoals nachtkijkers, laserapparatuur, GPS, communicatie-installaties en zaklantaarns. Voor het laten functioneren van deze apparatuur is al gauw 7 tot 9 kilo aan batterijen nodig. Dat gewicht kan aanzienlijk omlaag als het mogelijk zou zijn om de batterijen tijdens het wandelen op te laden. De door Bionic Power ontwikkelde kniegenerator moet dat mogelijk maken. Aan het onder- en bovenbeen zit een beugel bevestigd die via een pakket tandwielen een generator aandrijft. Bij een wandelsnelheid van 5,4 km per uur produceert elke kniegenerator afzonderlijk op vlak terrein ongeveer 12 W, genoeg om in een uur vier mobiele telefoons op te laden. Een aanzienlijk hogere energieopbrengst dan welke andere techniek ook.
Op 18 juni 2015 ondertekende Yad Garcha, CEO van Bionic Power, een contract van 1,27 miljoen dollar met het Amerikaanse leger voor de verdere ontwikkeling van de PowerWalk. ‘Het Amerikaanse leger heeft een doelstelling dat te voet optredende soldaten in het veld 100 procent van hun benodigd elektrische vermogen zouden moeten produceren,’ aldus Garcha. ‘De energieopwekker van Bionic Power is een van de weinige technieken in de wereld die een dergelijke prestatie kan leveren.’ Halverwege 2017 zijn de eerste veldproeven met de PowerWalk bij defensie begonnen. Naast de militaire toepassingen gaat het bedrijf zich ook toeleggen op een commerciële versie van de energieopwekker, die naar verwachting vanaf 2019 op de markt zal verschijnen.
De warmte benutten
Een effectieve manier om passief stroom op te wekken is door gebruik te maken van een temperatuurverschil tussen twee verschillende materialen. Om de mogelijkheden van deze techniek te demonstreren presenteerde telecombedrijf Orange in het jaar 2010 de Orange Power Wellies, kaplaarzen waarbij een aantal thermokoppels aan de onderkant van de zolen zijn aangebracht. Dankzij het temperatuurverschil tussen voeten en de grond produceren de laarzen elektrische stroom. Wie met deze laarzen twaalf uur rondloopt heeft genoeg elektriciteit opgewekt om een uur lang mobiel te kunnen bellen, zo stelde het bedrijf. In november 2010 riep het blad Time de laarzen uit tot een van de vijftig beste uitvindingen van het jaar. De kaplaarzen zijn tot op heden echter niet in de handel gebracht.
Het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) kwam in 2014 in het nieuws door de presentatie van een lichtgewicht, flexibele en zeer efficiënte thermo-elektrische generator (TEG), die uit lichaamswarmte elektriciteit kan opwekken. De TEG, die door een wetenschappelijk team onder leiding van prof. Byung Jin Cho is ontworpen, is opgebouwd uit twee halfgeleidermaterialen die zijn ondergebracht in een flexibel en lichtgewicht glasweefsel. Volgens de onderzoekers zou een armband van dit materiaal met een oppervlak van 10 bij 10 cm bij kamertemperatuur een vermogen van 40 mW (microwatt) hebben. Dit is lang niet voldoende om een mobiele telefoon op te laden, maar voor draagbare apparaten als een fitness tracker zou een dergelijke TEG van nut kunnen zijn.
Ook uit andere voorbeelden blijkt dat het opwekken van stroom uit warmte al snel aantrekkelijk kan zijn. Zo constateerde Vladimir Leonov, verbonden aan het Belgisch wetenschappelijk instituut IMEC te Leuven, dat als iemand gedurende tien uur per dag een thermo-elektrisch shirt met een TEG draagt, deze meer energie opwekt dan de energie die is opgeslagen in een alkaline batterij van dezelfde dikte en gewicht als de TEG.
De Duitse fabrikant KIT Light Technology Institute gaat vanaf nog dit jaar TEG’s op de markt brengen van 1 tot 20 mm dik, die bij een temperatuur van de huid van 25 graden C en een omgevingstemperatuur van 20 graden een vermogen van 1 tot 100 mW produceren.
Corey Hewitt, wetenschappelijk medewerker aan de Amerikaanse Wake Forest University Center for Nanotechnology, stelt dat de hoge materiaalkosten de grootste belemmering zijn voor de commerciële toepassing van thermo-elektrische kleding. In februari 2012 kreeg Hewitt en zijn collegae onderzoekers internationaal belangstelling door hun artikel in het gezaghebbende blad Nano Letters van de American Chemical Society. Aanleiding was de door hen ontwikkelde Power Felt, een thermo-elektrisch kledingstuk van dunne koolstof nanobuisjes, opgesloten in flexibele kunststof vezels, dat net aanvoelde als elk ander weefsel. De uitdaging op dat moment was om meerdere lagen met nanobuisjes toe te passen, terwijl tegelijkertijd het betreffende materiaal zo dun mogelijk moest zijn. ‘Ik kan me voorstellen dat ik een jasje kan maken met daarbinnen een complete thermo-elektrische bekleding, die warmte verzamelt van het lichaam, terwijl de buitenkant koud blijft door de buitentemperatuur,’ aldus Hewitt. ‘Wanneer de Power Felt efficiënt genoeg is, kan je in principe een iPod opladen, wat geweldig is voor lange afstandsrenners. Het is tamelijk leuk om hierover na te denken, deze optie ligt vast en zeker binnen handbereik.’
Noodsituaties
Er zijn momenten dat het er helemaal niet toe doet hoeveel elektriciteit je kunt opwekken, een kleine opbrengst kan al genoeg zijn, bijvoorbeeld voor het zenden van een noodsignaal. Zo komt het regelmatig voor dat wandelaars met een GPS-navigatiesysteem de weg kwijt raken omdat de accu’s voortijdig leeg zijn geraakt. Daar sta je dan, op een berg, met lege batterijen, zonder papieren kaart, zonder richtingsgevoel en zonder eten, ver van de bewoonde wereld. Wat dan? Dan is er altijd nog de oplossing van het Engelse Bristol Bioenergy Centre: je pakt een geprepareerd velletje papier, je vouwt dat in de vorm van een piramide, je vult het viervlakkige bakje met urine en na 35 minuten leveren de bacteriën in deze zogeheten microbiële brandstofcel elektriciteit! Twee van dergelijke in serie geschakelde cellen zouden genoeg stroom opwekken om gedurende 24 uur om de zes minuten radiosignalen uit te kunnen zenden. Tip van de onderzoekers: de ochtendurine werkt het best!
Het onlangs verschenen boek De Siddermens, ons lichaam als energiebron (132 pag. € 14,95) gaat uitgebreid in op de mogelijkheden om met het menselijk lichaam elektriciteit op te wekken. Te bestellen via www.rijkertknoppers.nl.