Science
03.04.2015

Stromerzeugendes Pflaster soll künftig Handys versorgen

Ein Pflaster, das genug Strom erzeugen kann, um Sensoren und Wearables versorgen, soll das Batterieproblem für kleine Geräte lösen - auch für Smartphones im Bereich des Möglichen.

Das Erzeugen von Strom durch körperliche Ertüchtigung funktioniert bislang nicht sonderlich effizient, wenn dafür nicht gerade ein Hamsterrad oder ein modifizierter Heimtrainer zum Einsatz kommt. Auch piezoelektrische Kristalle, die bei mechanischer Verformung Strom generieren, können im Alltag nicht genug Strom aus den Bewegungen eines Menschen erzeugen. Forscher aus Singapur gehen deshalb einen anderen Weg. Sie wollen den sogenannten triboelektrischen Effekt Nutzen, also die Reibungselektrizität, die jeder kennt, der nach einer Autofahrt mit Sitzbezügen aus Kunststoff beim Berühren des Metalls der Karosserie einen Schlag bekommen hat.

“Wenn zwei verschiedene Materialien miteinander in Kontakt kommen und wieder getrennt werden, werden sie elektrisch geladen”, erklärt Lokesh Dhakar von der National University of SIngapore im futurezone-Interview. Diesen Effekt haben die Wissenschaftler aus Singapur genutzt, um einen hochgradig flexiblen Nanogenerator in Folienform zu entwickeln, der wie ein Pflaster auf die Haut aufgebracht wird und dort schon bei kleinen Bewegungen Strom erzeugt. “Tausende Nanosäulen aus einem speziellen Polymer, das tendenziell negativ geladen wird, kommen in Kontakt mit der Haut, die als die zweite triboelektrische Schicht dient. Haut eignet sich hervorragend, weil sie große Kontaktfläche bietet und gerne Elektronen abgibt. Bei jede relativen Bewegung zwischen Haut und Folie lädt sich das Polymer. Ein dünner Gold-Film wird genutzt, um die Ladungen durch elektrostatische Induktion zu ernten”, sagt Dhakar. Die Leistung des Generators hängt von der Fläche und der Zahl der Nanosäulen ab.

Unter einem Dollar

Mit einer beklebten Fläche von drei Quadratzentimeter können die Forscher derzeit 0,8 Milliwatt Spitzenleistung erzeugen. Die durchschnittliche Leistung hängt von der einwirkenden Kraft und deren Frequenz ab. Die besten Werte werden erreicht, wenn das Pflaster wiederholt mit dem Finger angetippt und so auf die Haut gepresst wird. Aber auch bei normalen Bewegungen fließt Strom, etwa wenn das Pflaster auf dem Unterarm angebracht ist und die Hand geöffnet oder geschlossen wird. Die Spannung ist dabei vergleichsweise hoch, bei bis zu 90 Volt, die Stromstärke allerdings sehr gering. “Das liegt an der hohen Impedanz triboelektrischer Generatoren”, sagt Dhakar. Mit den bislang erreichten Werten lassen sich bereits kleine medizinische Sensoren betreiben. Das Ziel der Forscher ist es, eine große Bandbreite an verschiedenen Sensoren und Wearables zu versorgen. Längerfristig ist aber auch eine Verwendung mit Mobiltelefonen denkbar.

“Zumindest als Unterstützung für die Batterien solcher Geräte könnten unsere Generatoren dienen. Das Problem ist, dass die Fläche unseres Generators nicht zu groß werden darf und wir den Strom effizient in eine nutzbare Form umwandeln müssen, weg von hohen Spannungen und geringen Stromstärken. Die komplette Stromversorgung eines Smartphones liegt deshalb noch in ferner Zukunft”, erklärt der Forscher. Ein großer Vorteil der Technik ist, dass sie sich günstig in Massen produzieren lassen sollte. “Ein Generator sollte unter einem Dollar kosten, wenn wir in großen Mengen produzieren”, sagt Dhakar.

Gut Ding braucht Weile

Bis dahin müssen aber noch einige Probleme gelöst werden. In den Laborversuchen der Wissenschaftler wird der Generator mit Klebeband auf der Haut angebracht. “Der Generator ließe sich aber leicht in die Form eines echten Pflasters bringen. Andere, ästhetische Lösungen werden ebenfalls angedacht”, sagt Dhakar. Einen Zeitrahmen für die kommerzielle Verfügbarkeit von Generatoren in Pflasterform will der Forscher nicht nicht nennen, es gebe vorher noch einige Hürden zu nehmen.