In einem Labor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat Sangtae Kim an einem hauchdünnen Gerät von der Größe eines Stempels gebastelt. Kim ist daran interessiert, Energie von Menschen zu gewinnen (wenn auch nicht die Art, die Menschen im Film in Batterien verwandelt, Die Matrix). Er möchte Bewegungen wie Gehen und Laufen nutzen, um Sensoren und tragbare Geräte mit Strom zu versorgen.
“ Es bietet eine neue Möglichkeit, menschliche Energie zu gewinnen „, sagt Kim über seinen Prototyp, den er kürzlich in einem Artikel beschrieben hat, der gemeinsam mit seinem Berater Prof. Ju Li und anderen Forschern verfasst wurde.
“ Jede Bewegung kann geerntet werden, aber Sie möchten keine Kleidung voller Erntemaschinen. Ich würde auf die Sohlen von Schuhen zielen – dort befindet sich die meiste Energie „, sagt Kim.
Die Idee, Bewegung zur Stromerzeugung zu nutzen, ist nicht neu, aber alles andere als alltäglich. Es gibt stationäre Heimtrainer mit Motoren, um verschwitzte Workouts im Fitnessstudio in Energie umzuwandeln. Aber tragbare Energieerntemaschinen, die menschliche Bewegung nutzen, sind noch nicht auf den Markt gekommen, zum Teil, weil sie noch nicht genug Energie erzeugt haben, sagt Harry Zervos, Analyst beim Marktforschungsunternehmen IDTechEx.
Das menschliche Energiekonzept ist vielversprechend. Die Nutzung von Energie, die sonst verschwendet würde, ist in einer Zeit attraktiv, in der Pläne zur Bekämpfung des Klimawandels den Einsatz von weniger Energie oder Energie mit geringeren Kohlenstoffemissionen beinhalten.
Kim zielt auf einen wachsenden Markt für Unterhaltungselektronik ab. Laut IDC, einem Marktforschungsunternehmen, wird der weltweite Versand tragbarer Elektronik von prognostizierten 111 Millionen Geräten im Jahr 2016 auf 214,6 Millionen im Jahr 2019 ansteigen. IDTechEx erwartet, dass der jährliche Umsatz mit Wearables von 20 Milliarden US-Dollar im Jahr 2015 auf fast 70 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 steigen wird.
Suche nach kleineren und leistungsfähigeren Batterien
Wearables sammeln und kommunizieren Daten drahtlos wie Mobiltelefone, und die Verlängerung der Akkulaufzeit ist eine der großen technischen Herausforderungen für Designer. Und genau wie Mobiltelefone sind sie auf dem Weg, dünner und raffinierter zu werden. Designer von Wearables – wie Apple Watch, Google Glass und Fitness- und Gesundheitsarmbändern – suchen nach Technologie, mit der diese Geräte zwischen dem Aufladen länger laufen können. Dies bedeutet, dass Batterien, die mehr Energie auf kleinerem Raum packen können, oder Geräte, die sonst einen Energieschub liefern könnten, ohne an die Wand angeschlossen werden zu müssen.
Lithium-Ionen-Batterien, die auch den Großteil der Unterhaltungselektronik wie Laptops antreiben, sind die bevorzugte Stromquelle für Wearables. Aber ihre Leistung sinkt, wenn sie schrumpfen müssen, um engere Räume zu passen, nach Christine Ho, CEO von Imprint Energy, ein Batterieentwickler in Kalifornien.
“ Es ist ein Rätsel für Produktdesigner, die allmählich erkennen, dass sie kreativer denken müssen „, sagt Ho. „Neue Batterien haben die Möglichkeit, die Nachfrage zu decken.“
Gadget-Hersteller wie Samsung experimentieren mit dünneren und flexibleren Batterien, damit sie leichter in Wearables passen, die sich um Finger, Handgelenk und Knöchel wickeln. Imprint Energy entwickelt ultradünne und flexible Zinkbatterien, die in einem bestimmten Volumen mehr Energie speichern können als Lithium und sicher und ungiftig sind, sagt Ho.
Aber diese neuen Batterietechnologien sind in der Regel teuer und schwer in Serie zu produzieren. Der Umsatz mit ultradünnen und flexiblen Batterien für tragbare Geräte wird bis 2020 voraussichtlich 300 Millionen US-Dollar erreichen, sagt Tony Sun, Analyst beim Marktforschungsunternehmen Lux Research. Der Umsatz könnte bis dahin auf satte 4 Milliarden US-Dollar steigen, prognostiziert er, aber nur, wenn diese Batterien im Preis auf das Niveau von Lithium-Ionen-Batterien sinken können. Dies würde erhebliche Investitionen für technische Durchbrüche erfordern, fügt Sun hinzu.
Energy Harvesting
Die Idee, menschliche Bewegungen nutzbar zu machen, kam Kim eines Nachts im Dezember 2013, als er eine E-Mail von Li erhielt, der gerade an einem Treffen von Materialwissenschaftlern teilgenommen hatte, bei dem Gespräche über Lithium-Ionen-Batterien eine Diskussion über die Belastung der Batterie beinhalteten. Die Belastung einer Lithiumbatterie verändert die Spannung und verringert die Kapazität der Batterie. Aber was wäre, wenn Sie diesen Stress zu einem Vorteil machen könnten?
“ Es war eine E-Mail mit zwei Sätzen, die mich völlig aufgeweckt hat „, erinnert sich Kim. „Dann habe ich angefangen, dieses Gerät zu entwerfen. Ich brauchte ein Jahr, um es zu bauen, und ein weiteres Jahr, um vollständig zu verstehen, was es tat. Wir wollten sicherstellen, dass es keine Nebenwirkung war.“
Kim hat sich ein Gerät ausgedacht, das eine ähnliche Struktur wie eine Batterie hat: zwei leitende Elektroden, die durch einen flüssigen Elektrolyten getrennt sind. Im Gegensatz zu einer Batterie verwendet der Energy Harvester für beide Elektroden dieselbe Verbindung, eine Mischung aus Lithium und Silizium. Dies erzeugt einen Volleying-Effekt, wenn körperliche Belastung angewendet wird.
Der Druck zwingt eine Elektrode, Lithiumionen auszuspucken, und stört dabei ein Gleichgewicht, das dazu führt, dass sich die andere Elektrode öffnet und das zurückgewiesene Lithium akzeptiert. Der Elektrolyt zwingt sie, sich in Lithiumionen und Elektronen zu trennen. Die Elektronen wandern durch einen Stromkreis und werden als Elektrizität eingefangen. Die Elektronen treffen dann am anderen Ende auf Lithiumionen und bewegen sich in die Elektrode.
Durch das Lösen des Geräts wird die Spannung abgebaut und die Elektronen und Lithiumionen bewegen sich in die andere Richtung. Diese Umkehrung erzeugt einen weiteren elektrischen Stromfluss, bevor die beiden zur ursprünglichen Elektrode zurückkehren.
Kims Prototyp erzeugt noch nicht genug Strom für Wearables. Er sagt, er muss seine Effizienz steigern – den Prozentsatz der mechanischen Energie, die in Strom umgewandelt wird – von 0.6% zu 6%, zu machen es mächtig genug für geräte wie armbänder.
Die Steigerung der Energieausbeute und Lebensdauer eines Energy Harvesters wird entscheidend sein, um seine Verwendung zu popularisieren, sagt Kevin Lloyd, Mitbegründer und Leiter der Technologie bei Whistle Labs mit Sitz in Kalifornien, das ein GPS-basiertes Haustierhalsband entwickelt hat, um den Standort, die Gesundheit und andere Aktivitäten Ihres pelzigen Freundes zu verfolgen.
“ Wenn wir uns den Bau tragbarer Geräte ansehen, balancieren wir Wissenschaft, Akkulaufzeit und Kosten aus „, sagt Lloyd. „Sie möchten nicht jeden Tag das Halsband Ihres Haustieres abnehmen müssen, um es aufzuladen. Wenn Sie ein oder zwei Wochen im Urlaub sind, möchten Sie, dass es die ganze Zeit dauert.“
Ein weiteres Hindernis für die Arbeit des Energy Harvesters: Unsere Körperbewegungen sind nicht vorhersehbar oder konsistent, was es schwierig macht, zu einem bestimmten Zeitpunkt eine zuverlässige Energiemenge zu erzeugen, sagt Ho.
Die Herausforderung anzugehen, seine Forschung in ein tragbares Gerät zu verwandeln, wird wichtig sein, räumt Kim ein und fügt hinzu, dass er bereits von einigen Unternehmen gehört hat, darunter Hersteller von Smartwatches und medizinischen Geräten, die daran interessiert sind, den Energy Harvesting-Prozess zu integrieren.
“ Aber wir müssen diese Technologie zuerst ausgereifter machen, bevor wir darüber nachdenken, sie zu kommerzialisieren „, sagt er.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{Hervorgehobener Text}}
{{#choiceCards}}
{{/choiceCards}}
- Auf Facebook teilen
- Auf Twitter teilen
- Per E-Mail teilen
- Auf LinkedIn teilen
- Auf WhatsApp teilen
- Auf Messenger teilen