Wearables Ein tragbarer thermoelektrischer Generator

Mit Wearables wird eine fortlaufende Überwachung der Vitaldaten bei Sportlern und bei Patienten möglich. Die Schwierigkeit besteht darin, die Geräte permanent mit Strom zu versorgen. Ein thermoelektrischer Generator mit 40 mW Dauerleistung, der am Handgelenk getragen wird, löst das Problem.

Ein Team von Wissenschaftlern des Korean Institute of Science and Technology (KAIST) hat unter der Leitung von Professor Byung Jin Cho einen thermoelektrischen Generator entwickelt, der sowohl leicht als auch flexibel ist und die Körperwärme des Trägers nutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wurden die Thermogeneratoren sowohl auf organische als auch auf anorganische Substrate aufgebracht. Allerdings erreicht die Polymer-Variante eine deutlich geringere Ausgangsleistung. Die Leistung der anorganischen Variante hingegen war zufriedenstellend, allerdings waren die ausgeführten Prototypen starr, vergleichsweise schwer und daher nicht brauchbar. 

Das KAIST-Team um Professor Byung Jin Cho entwickelte nun ein Verfahren, bei dem eine n-leitende Bismut-Tellur-Verbindung (Bi2Te3) und eine p-leitende Antimon-Tellur-Verbindung (Sb2Te3) jeweils in pastoser Form dargestellt und auf ein Glasgewebe gedruckt werden (Bild 1). Die Pasten dringen durch die Maschen des Gewebes und bilden eine etwa hundert Mikrometer dicke Schicht eines thermoelektrischen Materials. Im Endeffekt entstehen auf einer spezifischen Fläche des Glasgewebes mehrere hundert thermoelek­trisch aktive Punkte in der Kombination von p- und n-leitendem Material. 

Die Struktur dieses thermoelektrischen Generators ist stabil; sie erfordert keine zusätzlichen Keramiksubstrate, die einen großen Anteil der zur Verfügung stehenden thermischen Energie absorbieren. Hier dient das Glasgewebe selbst als oberes und unteres Substrat des Generators, zwischen denen die anorganischen, thermoelektrisch aktiven Materialien eingebracht sind; der Generator ist zudem flexibel (Bild 2). Dadurch konnte insbesondere das Gewicht des Generators im Vergleich mit anderen Systemen wesentlich gesenkt werden: auf etwa 0,13 g/cm². Ein nach diesem Prinzip konstruierter Generator einer Größe von 10 × 10 cm² für die Stromversorgung eines „smarten Armbands“ produziert eine Ausgangsleistung von 40 mW aus der Temperaturdifferenz zwischen der Haut des Trägers und der Umgebung. Der Generator wurde in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ [1] vorgestellt.


[1] Sun Jin Kim, Ju Hyung Wea und Byung Jin Cho: A wearable thermoelectric generator fabricated on a glass fabric. Energy Environ. Sci. 2014, H. 7, S. 1959ff.