Menschliche Energie nutzen: Ein globaler Überblick über Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme

In einer Welt, die sich zunehmend auf nachhaltige und erneuerbare Energiequellen konzentriert, entstehen innovative Technologien, um unkonventionelle Ressourcen zu erschließen. Ein solcher Bereich, der an Bedeutung gewinnt, ist die Stromerzeugung aus Körperwärme, auch bekannt als menschliches Energy Harvesting. Dieses Feld erforscht das Potenzial, die vom menschlichen Körper ständig abgegebene Wärmeenergie in nutzbaren elektrischen Strom umzuwandeln. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme und beleuchtet die zugrundeliegende Technologie, aktuelle Anwendungen, Herausforderungen und Zukunftsaussichten aus globaler Perspektive.

Was ist Strom aus Körperwärme?

Strom aus Körperwärme bezeichnet den Prozess der Erfassung und Umwandlung der vom menschlichen Körper erzeugten thermischen Energie in Elektrizität. Der durchschnittliche menschliche Körper erzeugt eine beträchtliche Wärmemenge, im Ruhezustand etwa 100 Watt, hauptsächlich durch Stoffwechselprozesse. Diese Wärme wird kontinuierlich an die Umgebung abgegeben und stellt eine leicht verfügbare, wenn auch niedertemperaturige Energiequelle dar.

Die am häufigsten verwendete Technologie zur Stromerzeugung aus Körperwärme ist der thermoelektrische Generator (TEG). TEGs sind Festkörperbauelemente, die Wärme basierend auf dem Seebeck-Effekt direkt in Elektrizität umwandeln. Dieser Effekt besagt, dass bei einer Temperaturdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannungsdifferenz zwischen ihnen entsteht. Indem ein TEG in Kontakt mit dem menschlichen Körper gebracht und die andere Seite einer kühleren Umgebung ausgesetzt wird, entsteht ein Temperaturgradient, der Elektrizität erzeugt.

Wie funktionieren thermoelektrische Generatoren?

TEGs bestehen aus zahlreichen kleinen Thermoelementen, die elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind. Jedes Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien, typischerweise Wismuttellurid-Legierungen (Bi₂Te₃). Diese Materialien werden aufgrund ihres hohen Seebeck-Koeffizienten und ihrer elektrischen Leitfähigkeit sowie ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, um die Effizienz des Bauelements zu maximieren.

Wenn eine Seite des TEG erwärmt wird (z. B. durch Kontakt mit dem menschlichen Körper) und die andere Seite gekühlt wird (z. B. durch Umgebungsluft), wandern Elektronen und Löcher (die Ladungsträger in Halbleitern) von der heißen zur kalten Seite. Diese Bewegung der Ladungsträger erzeugt eine Spannungsdifferenz an jedem Thermoelement. Die Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente verstärkt diese Spannung, was zu einer nutzbaren elektrischen Leistung führt.

Der Wirkungsgrad eines TEG wird durch die Temperaturdifferenz am Bauelement und die Materialeigenschaften der Halbleiter bestimmt. Die Güte-Zahl (ZT) ist ein dimensionsloser Parameter, der die Leistungsfähigkeit eines thermoelektrischen Materials charakterisiert. Ein höherer ZT-Wert deutet auf eine bessere thermoelektrische Leistung hin. Obwohl in der Forschung zu thermoelektrischen Materialien erhebliche Fortschritte erzielt wurden, bleibt der Wirkungsgrad von TEGs mit typischerweise 5-10 % relativ gering.

Anwendungen von Systemen zur Energiegewinnung aus Körperwärme

Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme haben ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen, insbesondere in der Wearable-Elektronik, bei medizinischen Geräten und in der Fernsensorik. Hier sind einige Schlüsselbereiche, in denen diese Technologie erforscht wird:

Wearable-Elektronik

Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Strom aus Körperwärme ist die Energieversorgung von Wearable-Elektronik. Geräte wie Smartwatches, Fitness-Tracker und Sensoren benötigen eine kontinuierliche Stromversorgung und sind oft auf Batterien angewiesen, die regelmäßig aufgeladen oder ausgetauscht werden müssen. Durch Körperwärme betriebene TEGs können eine kontinuierliche und nachhaltige Stromquelle für diese Geräte bereitstellen und so die Notwendigkeit von Batterien oder häufigem Aufladen eliminieren.

Beispiele:

• Smartwatches: Forscher entwickeln Smartwatches mit integrierten TEGs, die Energie aus Körperwärme gewinnen können, um das Gerät mit Strom zu versorgen, die Akkulaufzeit zu verlängern oder sogar den Akku ganz überflüssig zu machen.
• Fitness-Tracker: Durch Körperwärme betriebene Fitness-Tracker können Vitalparameter wie Herzfrequenz, Körpertemperatur und Aktivitätslevel kontinuierlich überwachen, ohne häufiges Aufladen zu erfordern.
• Intelligente Kleidung: TEGs können in Kleidung integriert werden, um Sensoren und andere elektronische Komponenten mit Strom zu versorgen und so eine kontinuierliche Gesundheitsüberwachung und personalisiertes Feedback zu ermöglichen. Unternehmen wie Q-Symphony erforschen diese Integrationen.

Medizinische Geräte

Strom aus Körperwärme kann auch zur Versorgung medizinischer Geräte verwendet werden, insbesondere von implantierbaren Geräten wie Herzschrittmachern und Glukosemonitoren. Der Batteriewechsel bei implantierbaren Geräten erfordert einen chirurgischen Eingriff, der Risiken für den Patienten birgt. Durch Körperwärme betriebene TEGs können eine langlebige und zuverlässige Stromquelle für diese Geräte bereitstellen, wodurch die Notwendigkeit von Batteriewechseln verringert und die Patientenergebnisse verbessert werden.

Beispiele:

• Herzschrittmacher: Forscher arbeiten an der Entwicklung von autarken Herzschrittmachern, die Energie aus Körperwärme gewinnen, um den Herzrhythmus zu regulieren.
• Glukosemonitore: Durch Körperwärme betriebene Glukosemonitore können den Blutzuckerspiegel kontinuierlich überwachen, ohne externe Stromquellen zu benötigen.
• Medikamentenabgabesysteme: TEGs können Mikropumpen und andere Komponenten von implantierbaren Medikamentenabgabesystemen mit Strom versorgen und so eine präzise und kontrollierte Medikamentenfreisetzung ermöglichen.

Fernsensorik

Strom aus Körperwärme kann zur Versorgung von Fernsensoren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. bei der Umweltüberwachung, der industriellen Überwachung und in Sicherheitssystemen. Diese Sensoren arbeiten oft an abgelegenen oder schwer zugänglichen Orten, an denen ein Batteriewechsel unpraktisch ist. Durch Körperwärme betriebene TEGs können eine zuverlässige und nachhaltige Stromquelle für diese Sensoren bereitstellen und eine kontinuierliche Datenerfassung und -überwachung ermöglichen.

Beispiele:

• Umweltüberwachung: Durch Körperwärme betriebene Sensoren können in abgelegenen Gebieten zur Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umweltparametern eingesetzt werden.
• Industrielle Überwachung: TEGs können Sensoren mit Strom versorgen, die den Zustand von Maschinen und Anlagen in industriellen Umgebungen überwachen und so eine vorausschauende Wartung ermöglichen und Geräteausfälle verhindern.
• Sicherheitssysteme: Durch Körperwärme betriebene Sensoren können in Sicherheitssystemen zur Erkennung von Eindringlingen und zur Überwachung von Aktivitäten in gesperrten Bereichen eingesetzt werden.

Weitere Anwendungen

Über die oben genannten Anwendungen hinaus werden Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme auch für folgende Zwecke erforscht:

• Internet der Dinge (IoT)-Geräte: Stromversorgung kleiner, stromsparender IoT-Geräte, die in verschiedenen Branchen und Anwendungen immer häufiger zum Einsatz kommen.
• Notstromversorgung: Bereitstellung von Notstrom in Notsituationen wie Naturkatastrophen oder Stromausfällen.
• Militärische Anwendungen: Versorgung von am Soldaten getragener Elektronik und Sensoren für Kommunikation, Navigation und Lagebewusstsein.

Herausforderungen und Einschränkungen

Trotz der potenziellen Vorteile von Strom aus Körperwärme müssen mehrere Herausforderungen und Einschränkungen bewältigt werden, bevor diese Technologie weitreichend eingeführt werden kann:

Geringer Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad von TEGs ist mit typischerweise 5-10 % relativ gering. Das bedeutet, dass nur ein kleiner Teil der Wärmeenergie in Elektrizität umgewandelt wird. Die Verbesserung des Wirkungsgrades von TEGs ist entscheidend, um die Leistungsabgabe zu erhöhen und Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme praxistauglicher zu machen.

Temperaturdifferenz

Die von einem TEG erzeugte Leistung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite. Die Aufrechterhaltung einer signifikanten Temperaturdifferenz kann eine Herausforderung sein, insbesondere in Umgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen oder wenn das Gerät von Kleidung bedeckt ist. Ein effektives Wärmemanagement und eine gute Isolierung sind entscheidend, um die Temperaturdifferenz und die Leistungsabgabe zu maximieren.

Materialkosten

Die in TEGs verwendeten Materialien, wie Wismuttellurid-Legierungen, können teuer sein. Die Senkung der Kosten für diese Materialien ist wichtig, um Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme erschwinglicher und zugänglicher zu machen. Die Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien, die häufiger vorkommen und kostengünstiger sind.

Gerätegröße und -gewicht

TEGs können relativ sperrig und schwer sein, was bei tragbaren Anwendungen eine Einschränkung darstellen kann. Die Miniaturisierung von TEGs und die Reduzierung ihres Gewichts sind wichtig, um sie komfortabler und für den täglichen Gebrauch praktischer zu machen. Es werden neuartige Mikrofabrikationstechniken entwickelt, um kleinere und leichtere TEGs herzustellen.

Kontaktwiderstand

Der Kontaktwiderstand zwischen dem TEG und dem menschlichen Körper kann die Effizienz der Wärmeübertragung verringern. Ein guter Wärmekontakt zwischen dem Gerät und der Haut ist entscheidend für die Maximierung der Leistungsabgabe. Dies kann durch den Einsatz von Wärmeleitmaterialien und ein optimiertes Gerätedesign erreicht werden.

Haltbarkeit und Zuverlässigkeit

TEGs müssen langlebig und zuverlässig sein, um den Strapazen des täglichen Gebrauchs standzuhalten. Sie sollten mechanischen Belastungen, Temperaturschwankungen sowie dem Kontakt mit Feuchtigkeit und Schweiß standhalten können. Eine ordnungsgemäße Kapselung und Verpackung sind unerlässlich, um den TEG zu schützen und seine langfristige Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Globale Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen

Weltweit werden erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um die Herausforderungen und Einschränkungen von Systemen zur Energiegewinnung aus Körperwärme zu überwinden und ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Diese Bemühungen konzentrieren sich auf:

Verbesserung thermoelektrischer Materialien

Forscher erkunden neue thermoelektrische Materialien mit höheren ZT-Werten. Dies umfasst die Entwicklung neuartiger Legierungen, Nanostrukturen und Verbundwerkstoffe. Zum Beispiel haben Wissenschaftler an der Northwestern University in den Vereinigten Staaten ein flexibles thermoelektrisches Material entwickelt, das in Kleidung integriert werden kann. In Europa koordiniert die European Thermoelectric Society (ETS) Forschungsanstrengungen über mehrere Länder hinweg.

Optimierung des Gerätedesigns

Forscher optimieren das Design von TEGs, um die Wärmeübertragung zu maximieren und Wärmeverluste zu minimieren. Dies beinhaltet den Einsatz fortschrittlicher Kühlkörper, mikrofluidischer Kühlsysteme und neuartiger Bauelementarchitekturen. Forscher an der Universität Tokio in Japan haben einen Mikro-TEG entwickelt, der in tragbare Sensoren integriert werden kann. Darüber hinaus arbeiten verschiedene Forschungsteams in Südkorea an flexiblen TEG-Designs für Wearable-Anwendungen.

Entwicklung neuer Anwendungen

Forscher erkunden neue Anwendungen für Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme in verschiedenen Bereichen wie Gesundheitswesen, Umweltüberwachung und Industrieautomation. Dies umfasst die Entwicklung von autarken medizinischen Geräten, drahtlosen Sensoren und IoT-Geräten. Beispiele hierfür sind Projekte, die von der Europäischen Kommission im Rahmen des Programms Horizont 2020 gefördert werden und sich auf Energy Harvesting für Wearable-Geräte im Gesundheitswesen konzentrieren.

Kostensenkung

Forscher arbeiten daran, die Kosten von TEGs zu senken, indem sie häufiger vorkommende und kostengünstigere Materialien verwenden und effizientere Herstellungsprozesse entwickeln. Dazu gehört der Einsatz additiver Fertigungstechniken wie dem 3D-Druck, um TEGs mit komplexen Geometrien und optimierter Leistung zu erstellen. In China investiert die Regierung stark in die Forschung zu thermoelektrischen Materialien, um die Abhängigkeit von importierten Materialien zu verringern.

Zukunftsaussichten

Die Zukunft von Systemen zur Energiegewinnung aus Körperwärme sieht vielversprechend aus, mit erheblichem Potenzial für Wachstum und Innovation. Da sich thermoelektrische Materialien und Gerätetechnologien weiter verbessern, wird erwartet, dass die Energiegewinnung aus Körperwärme eine immer wichtigere Rolle bei der Stromversorgung von Wearable-Elektronik, medizinischen Geräten und anderen Anwendungen spielen wird. Die abnehmende Größe und die sinkenden Kosten der Elektronik in Verbindung mit der steigenden Nachfrage nach autarken Geräten werden die Einführung von Systemen zur Energiegewinnung aus Körperwärme weiter vorantreiben.

Wichtige Trends, die zu beobachten sind:

• Fortschrittliche thermoelektrische Materialien: Kontinuierliche Entwicklung von hochleistungsfähigen thermoelektrischen Materialien mit verbesserten ZT-Werten und reduzierten Kosten.
• Flexible und dehnbare TEGs: Entwicklung von TEGs, die sich der Form des menschlichen Körpers anpassen und mechanischen Belastungen standhalten können.
• Integration in Wearable-Geräte: Nahtlose Integration von TEGs in Kleidung, Accessoires und andere tragbare Geräte.
• Autarke medizinische Geräte: Entwicklung von implantierbaren und tragbaren medizinischen Geräten, die durch Körperwärme betrieben werden und so die Notwendigkeit von Batteriewechseln reduzieren.
• IoT-Anwendungen: Weit verbreiteter Einsatz von durch Körperwärme betriebenen Sensoren und Geräten in IoT-Anwendungen.

Fazit

Systeme zur Energiegewinnung aus Körperwärme stellen eine vielversprechende Technologie dar, um die vom menschlichen Körper erzeugte thermische Energie zu nutzen und in brauchbare Elektrizität umzuwandeln. Obwohl erhebliche Herausforderungen bestehen bleiben, ebnen laufende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen den Weg für eine breitere Einführung dieser Technologie in verschiedenen Anwendungen. Da sich thermoelektrische Materialien und Gerätetechnologien weiter verbessern, hat die Energiegewinnung aus Körperwärme das Potenzial, eine bedeutende Rolle in der Zukunft der nachhaltigen Energie und der Wearable-Elektronik zu spielen, mit globalen Auswirkungen darauf, wie wir unsere Geräte mit Strom versorgen und unsere Gesundheit überwachen.