Het benutten van menselijke energie: een mondiaal overzicht van energiesystemen op basis van lichaamswarmte

In een wereld die zich steeds meer richt op duurzame en hernieuwbare energiebronnen, komen innovatieve technologieën op om onconventionele bronnen aan te boren. Een van de gebieden die aan populariteit wint, is stroomopwekking uit lichaamswarmte, ook wel bekend als het oogsten van menselijke energie. Dit veld onderzoekt het potentieel om de thermische energie die constant door het menselijk lichaam wordt uitgestoten om te zetten in bruikbare elektrische stroom. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van energiesystemen op basis van lichaamswarmte, waarbij de onderliggende technologie, huidige toepassingen, uitdagingen en toekomstperspectieven vanuit een mondiaal perspectief worden onderzocht.

Wat is stroomopwekking uit lichaamswarmte?

Stroomopwekking uit lichaamswarmte verwijst naar het proces van het opvangen en omzetten van de thermische energie die door het menselijk lichaam wordt geproduceerd in elektriciteit. Het gemiddelde menselijk lichaam genereert een aanzienlijke hoeveelheid warmte, ongeveer 100 watt in rust, voornamelijk door metabolische processen. Deze warmte wordt continu afgegeven aan de omgeving en vormt een direct beschikbare, zij het laagwaardige, energiebron.

De meest gebruikte technologie voor het opwekken van stroom uit lichaamswarmte is de thermo-elektrische generator (TEG). TEG's zijn solid-state apparaten die warmte direct omzetten in elektriciteit op basis van het Seebeck-effect. Dit effect stelt dat wanneer er een temperatuurverschil bestaat tussen twee ongelijke elektrische geleiders of halfgeleiders, er een spanningsverschil tussen hen ontstaat. Door een TEG in contact te brengen met het menselijk lichaam en de andere kant bloot te stellen aan een koelere omgeving, wordt een temperatuurgradiënt gecreëerd, wat elektriciteit opwekt.

Hoe thermo-elektrische generatoren werken

TEG's bestaan uit talrijke kleine thermokoppels die elektrisch in serie en thermisch parallel zijn geschakeld. Elk thermokoppel is samengesteld uit twee ongelijke halfgeleidermaterialen, doorgaans bismut-telluride (Bi₂Te₃) legeringen. Deze materialen worden gekozen vanwege hun hoge Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid, evenals hun lage thermische geleidbaarheid, om de efficiëntie van het apparaat te maximaliseren.

Wanneer de ene kant van de TEG wordt verwarmd (bijv. door contact met het menselijk lichaam) en de andere kant wordt gekoeld (bijv. door blootstelling aan de omgevingslucht), migreren elektronen en gaten (de ladingsdragers in halfgeleiders) van de warme naar de koude kant. Deze beweging van ladingsdragers creëert een spanningsverschil over elk thermokoppel. De serieschakeling van meerdere thermokoppels versterkt dit voltage, wat resulteert in een bruikbare elektrische output.

De efficiëntie van een TEG wordt bepaald door het temperatuurverschil over het apparaat en de materiaaleigenschappen van de halfgeleiders. De figure of merit (ZT) is een dimensieloze parameter die de prestaties van een thermo-elektrisch materiaal karakteriseert. Een hogere ZT-waarde duidt op betere thermo-elektrische prestaties. Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt in het onderzoek naar thermo-elektrische materialen, blijft de efficiëntie van TEG's relatief laag, doorgaans in het bereik van 5-10%.

Toepassingen van energiesystemen op basis van lichaamswarmte

Energiesystemen op basis van lichaamswarmte hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen, met name in wearable elektronica, medische apparaten en remote sensing. Hier zijn enkele belangrijke gebieden waar deze technologie wordt onderzocht:

Wearable elektronica

Een van de meest veelbelovende toepassingen van stroomopwekking uit lichaamswarmte is het voeden van wearable elektronica. Apparaten zoals smartwatches, fitnesstrackers en sensoren vereisen continue stroom en zijn vaak afhankelijk van batterijen die regelmatig moeten worden opgeladen of vervangen. TEG's die door lichaamswarmte worden aangedreven, kunnen een continue en duurzame stroombron voor deze apparaten bieden, waardoor batterijen of frequent opladen overbodig worden.

Voorbeelden:

• Smartwatches: Onderzoekers ontwikkelen smartwatches met geïntegreerde TEG's die energie kunnen oogsten uit lichaamswarmte om het apparaat van stroom te voorzien, de batterijduur te verlengen of zelfs de noodzaak van een batterij volledig te elimineren.
• Fitnesstrackers: Door lichaamswarmte aangedreven fitnesstrackers kunnen continu vitale functies zoals hartslag, lichaamstemperatuur en activiteitsniveaus monitoren zonder dat ze vaak opgeladen hoeven te worden.
• Slimme kleding: TEG's kunnen in kleding worden geïntegreerd om sensoren en andere elektronische componenten van stroom te voorzien, wat continue gezondheidsmonitoring en gepersonaliseerde feedback mogelijk maakt. Bedrijven zoals Q-Symphony onderzoeken deze integraties.

Medische apparaten

Stroom uit lichaamswarmte kan ook worden gebruikt om medische apparaten van stroom te voorzien, met name implanteerbare apparaten zoals pacemakers en glucosemonitors. Het vervangen van batterijen in implanteerbare apparaten vereist een operatie, wat risico's voor de patiënt met zich meebrengt. Door lichaamswarmte aangedreven TEG's kunnen een duurzame en betrouwbare stroombron voor deze apparaten bieden, waardoor de noodzaak voor batterijvervangingen afneemt en de resultaten voor de patiënt verbeteren.

Voorbeelden:

• Pacemakers: Onderzoekers werken aan de ontwikkeling van zelfvoorzienende pacemakers die energie uit lichaamswarmte oogsten om het hartritme te reguleren.
• Glucosemonitors: Door lichaamswarmte aangedreven glucosemonitors kunnen continu de bloedsuikerspiegel volgen zonder externe stroombronnen.
• Medicijnafgiftesystemen: TEG's kunnen micropompen en andere componenten van implanteerbare medicijnafgiftesystemen van stroom voorzien, wat een precieze en gecontroleerde afgifte van medicijnen mogelijk maakt.

Remote sensing

Stroom uit lichaamswarmte kan worden gebruikt om sensoren op afstand van stroom te voorzien in diverse toepassingen, zoals milieumonitoring, industriële monitoring en beveiligingssystemen. Deze sensoren werken vaak op afgelegen of moeilijk bereikbare locaties waar het vervangen van batterijen onpraktisch is. Door lichaamswarmte aangedreven TEG's kunnen een betrouwbare en duurzame stroombron voor deze sensoren bieden, wat continue gegevensverzameling en monitoring mogelijk maakt.

Voorbeelden:

• Milieumonitoring: Door lichaamswarmte aangedreven sensoren kunnen in afgelegen gebieden worden ingezet om temperatuur, vochtigheid en andere omgevingsparameters te monitoren.
• Industriële monitoring: TEG's kunnen sensoren van stroom voorzien die de conditie van machines en apparatuur in industriële omgevingen monitoren, wat voorspellend onderhoud mogelijk maakt en storingen voorkomt.
• Beveiligingssystemen: Door lichaamswarmte aangedreven sensoren kunnen in beveiligingssystemen worden gebruikt om indringers te detecteren en activiteiten in beperkte gebieden te monitoren.

Andere toepassingen

Naast de bovengenoemde toepassingen worden energiesystemen op basis van lichaamswarmte ook onderzocht voor:

• Internet of Things (IoT)-apparaten: Het voeden van kleine, energiezuinige IoT-apparaten die steeds vaker worden gebruikt in diverse industrieën en toepassingen.
• Noodstroom: Het leveren van back-upstroom in noodsituaties, zoals natuurrampen of stroomstoringen.
• Militaire toepassingen: Het voeden van door soldaten gedragen elektronica en sensoren voor communicatie, navigatie en situationeel bewustzijn.

Uitdagingen en beperkingen

Ondanks de potentiële voordelen van stroom uit lichaamswarmte, moeten er verschillende uitdagingen en beperkingen worden aangepakt voordat deze technologie op grote schaal kan worden toegepast:

Lage efficiëntie

De efficiëntie van TEG's is relatief laag, doorgaans in het bereik van 5-10%. Dit betekent dat slechts een klein deel van de warmte-energie wordt omgezet in elektriciteit. Het verbeteren van de efficiëntie van TEG's is cruciaal om het vermogen te verhogen en energiesystemen op basis van lichaamswarmte praktischer te maken.

Temperatuurverschil

De hoeveelheid stroom die door een TEG wordt gegenereerd, is evenredig met het temperatuurverschil tussen de warme en koude zijde. Het handhaven van een significant temperatuurverschil kan een uitdaging zijn, vooral in omgevingen met hoge omgevingstemperaturen of wanneer het apparaat bedekt is met kleding. Effectief warmtebeheer en isolatie zijn essentieel om het temperatuurverschil en het vermogen te maximaliseren.

Materiaalkosten

De materialen die in TEG's worden gebruikt, zoals bismut-telluride legeringen, kunnen duur zijn. Het verlagen van de kosten van deze materialen is belangrijk om energiesystemen op basis van lichaamswarmte betaalbaarder en toegankelijker te maken. Onderzoek richt zich op de ontwikkeling van nieuwe thermo-elektrische materialen die overvloediger en goedkoper zijn.

Grootte en gewicht van het apparaat

TEG's kunnen relatief omvangrijk en zwaar zijn, wat een beperking kan zijn voor wearable toepassingen. Het miniaturiseren van TEG's en het verminderen van hun gewicht is belangrijk om ze comfortabeler en praktischer te maken voor dagelijks gebruik. Er worden nieuwe microfabricagetechnieken ontwikkeld om kleinere en lichtere TEG's te creëren.

Contactweerstand

De contactweerstand tussen de TEG en het menselijk lichaam kan de efficiëntie van de warmteoverdracht verminderen. Het waarborgen van goed thermisch contact tussen het apparaat en de huid is cruciaal om het vermogen te maximaliseren. Dit kan worden bereikt door het gebruik van thermische interfacematerialen en een geoptimaliseerd apparaatontwerp.

Duurzaamheid en betrouwbaarheid

TEG's moeten duurzaam en betrouwbaar zijn om de zware omstandigheden van dagelijks gebruik te weerstaan. Ze moeten bestand zijn tegen mechanische belasting, temperatuurschommelingen en blootstelling aan vocht en zweet. Een goede inkapseling en verpakking zijn essentieel om de TEG te beschermen en de prestaties op lange termijn te garanderen.

Wereldwijde onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen

Wereldwijd worden aanzienlijke onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen geleverd om de uitdagingen en beperkingen van energiesystemen op basis van lichaamswarmte te overwinnen en hun volledige potentieel te ontsluiten. Deze inspanningen zijn gericht op:

Verbetering van thermo-elektrische materialen

Onderzoekers verkennen nieuwe thermo-elektrische materialen met hogere ZT-waarden. Dit omvat de ontwikkeling van nieuwe legeringen, nanostructuren en composietmaterialen. Wetenschappers van Northwestern University in de Verenigde Staten hebben bijvoorbeeld een flexibel thermo-elektrisch materiaal ontwikkeld dat in kleding kan worden geïntegreerd. In Europa coördineert de European Thermoelectric Society (ETS) onderzoeksinspanningen in meerdere landen.

Optimalisatie van apparaatontwerp

Onderzoekers optimaliseren het ontwerp van TEG's om de warmteoverdracht te maximaliseren en thermische verliezen te minimaliseren. Dit omvat het gebruik van geavanceerde koellichamen, microfluïdische koelsystemen en nieuwe apparaatarchitecturen. Onderzoekers aan de Universiteit van Tokio in Japan hebben een micro-TEG ontwikkeld die kan worden geïntegreerd in wearable sensoren. Verder werken diverse onderzoeksteams in Zuid-Korea aan flexibele TEG-ontwerpen voor wearable toepassingen.

Ontwikkeling van nieuwe toepassingen

Onderzoekers verkennen nieuwe toepassingen voor energiesystemen op basis van lichaamswarmte in diverse gebieden, zoals de gezondheidszorg, milieumonitoring en industriële automatisering. Dit omvat de ontwikkeling van zelfvoorzienende medische apparaten, draadloze sensoren en IoT-apparaten. Voorbeelden zijn projecten gefinancierd door de Europese Commissie onder het Horizon 2020-programma, gericht op energy harvesting voor wearable apparaten in de gezondheidszorg.

Kostenreductie

Onderzoekers werken aan het verlagen van de kosten van TEG's door gebruik te maken van overvloediger en goedkopere materialen en door efficiëntere productieprocessen te ontwikkelen. Dit omvat het gebruik van additieve productietechnieken, zoals 3D-printen, om TEG's met complexe geometrieën en geoptimaliseerde prestaties te creëren. In China investeert de overheid fors in onderzoek naar thermo-elektrische materialen om de afhankelijkheid van geïmporteerde materialen te verminderen.

Toekomstperspectieven

De toekomst van energiesystemen op basis van lichaamswarmte ziet er veelbelovend uit, met een aanzienlijk potentieel voor groei en innovatie. Naarmate thermo-elektrische materialen en apparaattechnologieën blijven verbeteren, wordt verwacht dat stroom uit lichaamswarmte een steeds belangrijkere rol zal spelen bij het voeden van wearable elektronica, medische apparaten en andere toepassingen. De afnemende grootte en kosten van elektronica, gecombineerd met de toenemende vraag naar zelfvoorzienende apparaten, zullen de adoptie van energiesystemen op basis van lichaamswarmte verder stimuleren.

Belangrijke trends om in de gaten te houden:

• Geavanceerde thermo-elektrische materialen: Voortdurende ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische materialen met verbeterde ZT-waarden en lagere kosten.
• Flexibele en rekbare TEG's: Ontwikkeling van TEG's die zich kunnen aanpassen aan de vorm van het menselijk lichaam en bestand zijn tegen mechanische belasting.
• Integratie met wearable apparaten: Naadloze integratie van TEG's in kleding, accessoires en andere wearable apparaten.
• Zelfvoorzienende medische apparaten: Ontwikkeling van implanteerbare en wearable medische apparaten die worden aangedreven door lichaamswarmte, waardoor de noodzaak voor batterijvervangingen afneemt.
• IoT-toepassingen: Grootschalige inzet van door lichaamswarmte aangedreven sensoren en apparaten in IoT-toepassingen.

Conclusie

Energiesystemen op basis van lichaamswarmte vertegenwoordigen een veelbelovende technologie voor het benutten van de thermische energie die door het menselijk lichaam wordt geproduceerd en deze om te zetten in bruikbare elektriciteit. Hoewel er aanzienlijke uitdagingen blijven bestaan, banen voortdurende onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen de weg voor een bredere adoptie van deze technologie in diverse toepassingen. Naarmate thermo-elektrische materialen en apparaattechnologieën blijven verbeteren, heeft stroom uit lichaamswarmte het potentieel om een belangrijke rol te spelen in de toekomst van duurzame energie en wearable elektronica, met wereldwijde implicaties voor hoe we onze apparaten van stroom voorzien en onze gezondheid monitoren.