Kniebügel erzeugt Strom aus Bewegung

Forscher des Energy Harvesting Network arbeiten an einem Kniebügel, der die Bewegung des menschlichen Beins in Strom umsetzen soll. Dieser soll in Zukunft verschiedenste Sensoren und Implantate mit Energie versorgen und könnte eines Tages auch effizient genug arbeiten, um verschiedene Sensoren und kleinere Elektronikgeräte zu betreiben.

Strom durch Vibration

Die beteiligten Wissenschaftler der University of Cranfield http://www.cranfield.ac.uk und der University of Liverpool http://liverpool.ac.uk haben ein ringförmiges Gerät entworfen, das äußerlich an das Knie angelegt wird. Das Gelenk bietet ideale Voraussetzungen für das Sammeln von Energie, da es oft schnelle Bewegungen mit großen Winkelveränderungen ausführt.

Der Energy Harvester besteht aus einem Ring und einem zentralen Hub, der mit dem Rand durch vier piezoelektrische Arme – sogenannte „Bimorphe“ – verbunden ist. An 72 Stellen verfügt der Ring über „Plektren“, die die Bimorphe bei Kontakt in Schwingungen versetzen. Aus den Vibrationen wird schließlich der Strom erzeugt. „Piezoelektrische Materialien sind lange als Sensoren in Sonar- und Ultraschallscanner verwendet worden und erst in letzter Zeit im Feld des Energy Harvestings in den Fokus gerückt“, erklärt Michele Pozzi, der Leitautor der Studie.

Günstige Herstellung möglich

Derzeit kann der Kniebügel nur etwa zwei Milliwatt an Energie erzeugen. Das Team geht aber davon aus, dass sich mit einigen, durchaus machbaren Verbesserungen eine Leistung von über 30 Milliwatt erzeugen lässt. Dies würde bereits ausreichen, um einen GPS-Tracker in Betrieb zu halten. Getestet wurde die Erfindung bislang nur an einem Kniebewegungs-Simulator unter verschiedenen Belastungen. Für dessen Umsetzung wurde zuvor die Bewegung des Gelenks via Motion Capturing an einer Testperson aufgezeichnet und analysiert.

Das Gerät bietet etwa das Potenzial, die Last von Soldaten zukünftig zu vermindern. Diese müssen bei längeren Einsätzen oft bis zu zehn Kilogramm an zusätzlicher Ausrüstung für die Stromversorgung verschiedenster Geräte mitführen. „Es handelt sich um ein fortlaufendes Projekt zur Herstellung eines kompakten und wirklich tragbaren Harvesters“, so Pozzi.

„Im Moment nutzen wir präzise, aber kosteneffiziente Produktionstechniken für die Schale und die Plektren und rechnen damit, dass alle anderen Bestandteile industriell gefertigt werden können.“ Er geht davon aus, dass das Endprodukt in der Massenproduktion weniger als zehn Pfund (rund 12,3 Euro) kosten wird.