Körperwärme als Stromquelle Energie aus dem Handschuh

Umwandlung von Körperwärme in elektrische Energie.
Umwandlung von Körperwärme in elektrische Energie.

Die Energieversorgung von Smartphones und Wearables basiert bisher vor allem auf Batterien, die regelmäßig aufgeladen werden müssen. Chinesische Wissenschaftler wollen die benötigte Energie stattdessen aus überschüssiger Körperwärme beziehen. Erste Ergebnisse liegen jetzt vor.

Durch Muskelarbeit und Stoffwechsel erzeugt unser Körper ständig Wärme. Ein Teil davon wird einfach über die Haut an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der relativ geringen Temperaturunterschiede zwischen den ungefähr 32 °C der Haut und der Umgebungstemperatur ist eine Nutzung der Körperwärme nicht so einfach zu realisieren. Bisherige thermoelektrische Generatoren, beispielsweise auf Halbleiterbasis, liefern zu wenig Energie, sind kostspielig oder zu zerbrechlich für Systeme, die am Körper getragen werden sollen. Und Thermozellen mit Elektrolytlösungen lassen sich nicht gut zu großflächigen „anziehbaren“ Systemen integrieren. Das Team um Jun Zhou von der Huazhong University of Science and Technology (Wuhan, China) stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie ihre Lösung für dieses Problem vor: eine flexible, am Körper tragbare Thermozelle, die auf zwei verschiedenen gelartigen Elektrolyten basiert.

Die Forscher nutzen dabei einen thermogalvanischen Effekt: Werden zwei Elektroden, die sich im Kontakt mit einer Elektrolytlösung – oder einem Elektrolytgel – befinden, auf unterschiedlicher Temperatur gehalten, baut sich eine Potentialdifferenz auf. Die Ionen eines Redoxpaares im Elektrolyten können rasch zwischen zwei verschiedenen Ladungszuständen wechseln, indem sie an den Elektroden Elektronen aufnehmen bzw. abgeben. Um dies zur Gewinnung von Strom zu nutzen, kombinierten die Wissenschaftler zwei Typen von Zellen mit unterschiedlichen Redoxpaaren miteinander. Jede Zelle besteht aus zwei winzigen Metallplättchen als Elektroden, dazwischen befindet sich das Elektrolygel. Zelltyp 1 enthält das Redoxpaar Fe2+/Fe3+, Zelltyp 2 die Komplexionen [Fe(CN)6]3−/[Fe(CN)6]4−.

Die Wahl der Redoxpaare bewirkt, dass bei einer Temperaturdifferenz auf der kalten Seite in Zelltyp 1 ein negatives Potential entsteht, in Typ 2 dagegen ein positives. Die Forscher arrangierten eine Vielzahl der beiden Zelltypen zu einem Schachbrettmuster. Je zwei benachbarte Zellen wurden alternierend oben und unten von einem gemeinsamen Metallplättchen bedeckt und somit alle Zellen in Reihe geschaltet. Dieses „Schachbrett“ integrierten sie in einen Handschuh. Wird er angezogen, entsteht die erwünschte Temperaturdifferenz zwischen oberen und unteren Metallplättchen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Zellen, die sich aufsummiert. So ließe sich Strom zur Versorgung eines Geräts oder zur Aufladung eines Akkus gewinnen.

Bei einer Umgebungstemperatur von 5 °C konnten etwa 0,7 V Spannung sowie eine Leistung von etwa 0,3 μW erreicht werden. Eine Reihe von Optimierungen soll im nächsten Schritt die Leistung auch bei geringeren Temperaturdifferenzen verbessern.