Starkes Kraftwerk in der Schuhsohle

Madison (USA) - Mit Strom aus der Schuhsohle sollen Laptops und Handys bis zu zehn Mal länger laufen können als heute. Dieses Ziel halten amerikanische Entwickler mit einem neuen Minikraftwerk für möglich, in dem winzige Tropfen bei jedem Schritt durch winzige, nanostrukturierte Kanäle bewegt werden. Dabei entstehen elektrische Felder, die Spannungen von einigen Volt bei bis zu 20 Watt Leistung liefern könnten. Bisherige Ansätze von Minikraftwerken, welche die menschlichen Bewegungen ausnutzen, erzielten nur Ströme im Milliwatt-Bereich. In der Fachzeitschrift "Nature Communications" stellen die Forscher ihre neue Technologie vor und sehen ein Marktpotenzial weltweit von bis zu 17 Milliarden Dollar.

"Wenn eine Person sprintet, kann sie bis zu einem Kilowatt Leistung produzieren", sagt Tom Krupenkin von der University of Wisconsin in Madison. Um einen kleinen Teil dieser Energie quasi zu "ernten", entwickelte er zusammen mit seinem Kollegen J. Ashley Taylor ein Sohlenkraftwerk, das Aufladungseffekte auf sogenannten dielektrischen Materialien ausnutzt. Dabei fließt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit über eine Elektrode, die mit einem dielektrischen Material beschichtet wird. So entstehen elektrostatische Ladungen an der Grenzschicht, die als nutzbaren Strom aufgefangen werden könnten.

Um diesen Kraftwerksprozess zu optimieren, fertigten Krupenkin und Taylor ein ringförmiges System aus winzigen Kanälen in einem wenige Zentimeter großen Träger. Bis zu 150 Tropfen füllten sie in diese mit Tantaloxid beschichteten Kanäle und pressten die Flüssigkeit durch äußeren Druck hin und her. Damit erreichten sie ein hohe Leistungsdichte von bis zu 100 Watt pro Quadratmeter. Mit einem ersten Prototyp konnten so bereits Ströme von etwa einem Watt Leistung erzeugt werden. Weiter optimiert mit Tausenden von Tropfen und angepasst an die Dimensionen einer Schuhsohle hoffen die Forscher, ihre Ausbeute auf bis zu 20 Watt steigern zu können. Viele Flüssigkeiten, Wasser und Öl eingeschlossen, könnten laut Krupenkin hierfür genutzt werden. Die derzeit besten Laborergebnisse ließen sich mit flüssigem Quecksilber erreichen. Doch bevorzugen die Forscher ungiftige und günstige Flüssigkeiten.

Schuhsohle wird mit Funkmodulen zum Knotenpunkt für Daten

Doch wie gelangt der Strom aus der Schuhsohle in Handys und Laptops? Da sich dieses Problem sowohl mit einer Verkabelung als auch mit relativ ineffizienten Induktionsmethoden nur umständlich lösen ließe, kamen Krupenkin auf Taylor auf eine andere Idee. Sie wollen nicht die Akkus in den elektronischen Geräten ersetzen, sondern den Energieverbrauch in die Sohle verlagern. Das Sohlenkraftwerk soll dazu um einen Mobilfunkempfänger und ein WLAN-Modul erweitert werden und quasi als Knotenpunkt für Gespräche und Internetdaten dienen. Diese Daten müssten dann nur über die sehr kurze Entfernung zu den Geräten gesendet werden. In Laptop und Handy selbst reichen dann schwache, stromsparende WLAN-Empfänger aus, wodurch der Stromverbrauch signifikant gesenkt werden könnte. "Der Handy-Akku wird dadurch bis zu zehnmal länger durchhalten", ist Krupenkin überzeugt.

Kaufen kann man ein solches Sohlenkraftwerk mit kombinierten Funkmodulen heute noch nicht. Doch die Forscher wollen ihre Technologie mit der eigens gegründeten Firma InStep Nanopower zur Marktreife treiben. Als Zielgruppe haben die Forscher sowohl zivile Handynutzer als auch Soldaten im Auge, die so beim Einsatz leichter und länger Kontakt zu ihrem Basislager halten sollen.