Wenn wir gehen oder laufen, setzen wir den Untergrund, aber auch unsere Schuhsohlen mit jedem Schritt einem hohen Druck aus. Nicht umsonst legen daher Jogger Wert auf eine gut gedämpfte Sohle an ihrem Laufschuh. Doch die mechanische Energie, die wir bei jedem Schritt produzieren, kann auch ganz praktisch genutzt werden – um Strom zu erzeugen.
Die Schuhsohle als Stromlieferant
Eine Möglichkeit dafür bieten piezoelektrische Materialien. Wenn sie verformt, gedehnt oder zusammengedrückt werden, kommt es in ihrem Inneren zu einer Verschiebung von Ladungen. Dadurch wird das Material zum Dipol und es sammeln sich Elektronen an einem Ende, die abgeleitet werden können – es entsteht Strom. Umgekehrt reagieren diese Materialien auf zugeführten Strom durch entsprechende Verformung.
Ein klassisches Beispiel für diesen Piezoeffekt sind Quarzkristalle, aber auch piezoelektrische Keramiken wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). „PZT ist hundert Mal effizienter als Quarz, es kann bis zu 80 Prozent der mechanischen in elektrische Energie umwandeln“, erklärt Michael McAlpine von der Princeton University. Theoretisch wären dieses Materialien damit geradezu prädestiniert, aus unseren Körperbewegungen und speziell unseren Schritten Strom zu erzeugen. Der Nachtteil jedoch: Als keramisches Material ist PZT relativ steif und spröde. Als Schuhsohle wäre es daher wenig haltbar.
Doch die Forscher lösten dieses Problem, indem sie nur wenige Nanometer breite Streifen aus PZT in klare Schichten aus gummiartigem Silikon einbetteten. Damit erhielten sie neuartige „Piezo-Gummi-Chips“, die die Effektivität des PZT mit der Flexibilität des Silikons kombinierten. In die Gummisohlen von Schuhen integriert, könnten diese Chips beispielsweise beim Laufen und Rennen genügend Strom erzeugen, um mobile Geräte wie iPods oder Handys zu versorgen oder LEDs zum Leuchten zu bringen.
Energie aus dem Knie
Nach ähnlichem Prinzip, aber am Knie statt in der Schuhsohle, funktioniert ein Stromsammler, den Fei Gao und sein Team von der University of Hongkong entwickelt haben. Das System besteht aus einem dünnen Streifen eines Carbonfaser-Verbundmaterials. Wird dieser Streifen gestaucht und gedehnt, setzt dies im Inneren des Materials Elektronen frei, die als Strom abgeleitet werden können.
Für den praktischen Einsatz wird der Streifen seitlich am Knie befestigt. Wenn man nun beim Gehen das Knie beugt und streckt, wird der Streifen verformt und erzeugt Strom. Je nach Gehtempo waren dies bei dem mit 300 Gramm noch eher unhandlichen Prototypen zwischen 1,1 und 1,6 Milliwatt. Die produzierte Spannung erreichte bis zu 105 Volt, wie Gao und sein Team berichten. Für die Träger bedeutet diese mobile Stromgewinnung keine spürbare Mehranstrengung. Zudem fühlten sich die Probanden durch den Kniestreifen auch nicht behindert.
Triboelektrische Generatoren
Ein weiterer Effekt, der sich zur mobilen Energiegewinnung eignet, ist der triboelektrische Effekt. Bei diesem erzeugen Reibung oder ein wiederholter Kontakt verschiedener Materialschichten eine elektrische Aufladung. Diesem Prinzip verdanken wir den Schlag beim Anfassen einer Türklinke oder auch die statische Aufladung unserer Haare. Triboelektrische Nanogeneratoren machen sich dies zunutze, indem sie beispielsweise zwei Schichten leitfähiger Polymere bei Kompression in Kontakt bringen. Voraussetzung ist, dass beide Materialien eine unterschiedliche Affinität für Elektronen besitzen.
„Triboelektrische Nanogeneratoren sind vielversprechende Energie-Ernter, denn sie lassen sich einfach herstellen, kosten wenig, wiegen nicht viel, sind effizient und noch dazu umweltfreundlich“, erklären Fang Yi von der Universität Peking und sein Team. Wie gut das funktioniert, haben sie schon an Schuhsohlen mit integrierten LEDs und an einem stromsammelnden Armband getestet. Sogar als stromerzeugender Bodenbelag oder Matratze könnten diese Nanogeneratoren zum Einsatz kommen. Im Test erzeugte eine 1,83 Meter lange und 69 Zentimeter breite Matte beim wiederholten Berühren genügend Strom, um 170 LEDs aufleuchten zu lassen.
Noch ist die Stromausbeute all dieser Generatoren eher mäßig. Dennoch halten alle Forscherteams ihre Ansätze für eine vielversprechende Möglichkeit, Strom für kleine Geräte buchstäblich im Vorübergehen zu erzeugen.
