Forscher haben ein neues Gerät entwickelt, das Energie aus dem Schweiß – ausgerechnet – Ihren Fingerspitzen gewinnt. Bis heute ist das Gerät der effizienteste On-Body-Energy-Harvester, der jemals erfunden wurde, und produziert 300 Millijoule (mJ) Energie pro Quadratzentimeter ohne jegliche mechanische Energiezufuhr während eines 10-stündigen Schlafs und zusätzliche 30 mJ Energie mit einem einzigen Druck eines Fingers. Die Forscher sagen, dass das Gerät einen bedeutenden Schritt nach vorne für autarke tragbare Elektronik darstellt.
Normalerweise möchten Sie eine maximale Rendite für Ihre Energieinvestition. Sie möchten nicht viel Energie durch Sport verbrauchen, um nur wenig Energie zurückzugewinnen“, sagt Senior Researcher, ein Nanoengineering-Professor an der University of California San Diego. „Aber hier wollten wir ein Gerät entwickeln, das an die täglichen Aktivitäten angepasst ist und fast keine Energieinvestition erfordert – Sie können das Gerät vollständig vergessen und schlafen gehen oder Schreibtischarbeiten wie Tippen erledigen und trotzdem weiterhin Energie erzeugen. Man kann es 'Macht aus dem Nichtstun' nennen.“
Bisherige schweißbasierte Energiegeräte erforderten intensives Training, wie viel Laufen oder Radfahren, bevor der Benutzer genug schwitzte, um die Stromerzeugung zu aktivieren. Aber die große Menge an Energie, die während des Trainings verbraucht wird, kann die erzeugte Energie leicht aufheben, was oft zu einer Energierendite von weniger als 1 % führt.
Im Gegensatz dazu fällt dieses Gerät in die Kategorie der Energy Harvester, die die Forscher als „heiliger Gral“ bezeichnen. Anstatt sich auf externe, unregelmäßige Quellen wie Sonnenlicht oder Bewegung zu verlassen, braucht es nur Fingerkontakt, um im Schlaf mehr als 300 mJ Energie zu sammeln – was nach Ansicht der Autoren ausreicht, um eine kleine tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen. Da keine Bewegung erforderlich ist, ist das Verhältnis zwischen geernteter Energie und investierter Energie im Wesentlichen unendlich.
Es mag seltsam erscheinen, die Fingerkuppen als Quelle dieses Schweißes zu wählen, beispielsweise über die Achseln, aber tatsächlich haben Fingerkuppen die höchste Konzentration an Schweißdrüsen im Vergleich zu anderen Körperteilen.
„Die Erzeugung von mehr Schweiß an den Fingern hat sich wahrscheinlich entwickelt, um uns zu helfen, Dinge besser zu greifen“, sagt der erste Forscher, ein promovierter Nanoingenieur. Student, der in Wangs Labor arbeitet. „Die Schweißraten am Finger können einige Mikroliter pro Quadratzentimeter pro Minute erreichen. Dies ist signifikant im Vergleich zu anderen Körperstellen, an denen die Schweißrate vielleicht zwei oder drei Größenordnungen geringer ist.“
Das Gerät, das die Forscher in dieser Studie entwickelt haben, ist eine Art Energie-Harvester namens Biobrennstoffzelle (BFC) und wird mit Laktat betrieben, einer gelösten Verbindung im Schweiß. Von außen sieht es aus wie ein einfaches Stück Schaumstoff verbunden mit einem Schaltung mit Elektroden, die alle an der Fingerkuppe befestigt werden. Der Schaumstoff besteht aus Carbon-Nanotube-Material und das Gerät enthält außerdem ein Hydrogel, das die Schweißaufnahme maximiert.
Die Größe des Geräts beträgt etwa 1 Quadratzentimeter. Das Material ist außerdem flexibel, sodass Sie sich keine Sorgen machen müssen, dass es zu steif ist oder sich seltsam anfühlt. Sie können es bequem über einen längeren Zeitraum tragen.
Innerhalb des Geräts laufen eine Reihe elektrochemischer Reaktionen ab. Die Zellen sind mit einem Bioenzym an der Anode ausgestattet, das das Laktat oxidiert oder ihm Elektronen entzieht; die Kathode wird mit einer kleinen Menge Platin abgeschieden, um eine Reduktionsreaktion zu katalysieren, bei der das Elektron verwendet wird, um Sauerstoff in Wasser zu verwandeln. Sobald dies geschieht, fließen Elektronen aus dem Laktat durch den Kreislauf, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Dieser Prozess erfolgt spontan: Solange Laktat vorhanden ist, wird keine zusätzliche Energie benötigt, um den Prozess anzukurbeln.
Getrennt von, aber komplementär zum BFC, sind auch piezoelektrische Generatoren, die mechanische Energie in Elektrizität umwandeln, am Gerät angebracht, um bis zu 20 % zusätzliche Energie zu gewinnen. Diese Generatoren stützten sich auf die natürliche Kneifbewegung der Finger oder alltägliche Bewegungen wie das Tippen und trugen dazu bei, zusätzliche Energie von kaum Arbeit: Ein einziger Fingerdruck einmal pro Stunde benötigte nur 0.5 mJ Energie, erzeugte aber über 30 mJ Energie, eine Investitionsrendite von 6,000 %.
Die Forscher konnten das Gerät verwenden, um wirksame Vitamin-C- und Natrium-Sensorsysteme mit Strom zu versorgen, und sie sind optimistisch, das Gerät in Zukunft noch besser zu machen, um es für Gesundheits- und Wellnessanwendungen wie Glukose geeignet zu machen Meter für Menschen mit Diabetes. Sie wollen dieses Gerät enger in tragbare Formen wie Handschuhe integrieren. Wir untersuchen auch die Möglichkeit, eine drahtlose Verbindung zu Mobilgeräten für eine erweiterte kontinuierliche Erfassung zu ermöglichen.
