Rucksack und Laufschuh
Energie-Rucksack
Forscher der University of Pennsylvania in Philadelphia stellen im September 2005 einen Rucksack mit Außengestell vor, an dessen starrem Rahmen der eigentliche Packsack mit Federn befestigt ist, die beim Gehen in Schwingung geraten und dadurch einen Generator antreiben. Dessen bis zu 7,4 W reichen aus um ein Handy, GPS-Empfänger, Lampen am Helm oder den Laptop mit Strom zu versorgen.
Durch das Anheben eines Beines beim Gehen wird auch die Hüfte eines Rucksackträgers um etwa 4 – 7 cm angehoben. Diese Bewegung wird auf das Gestell übertragen, wodurch die vertikal angebrachten Federn die Last zum Schwingen bringen. Die dadurch entstandene Bewegungsenergie wird auf den Generator übertragen und in elektrische Energie umgewandelt. Je schneller man geht, und je schwerer der Rucksack, desto mehr Energie wird erzeugt.
Der gemeinsam mit Biomechanikern des Meeresbiologischen Labors in Woods Hole im Auftrag des Office of Naval Research entwickelte Rucksack soll erst einmal militärisch genutzt werden. Das Gewicht des Rucksacks eines US-Soldaten beträgt 38 kg. Beim Marsch mit 6,5 km pro Stunde werden um 7 – 8 W generiert. Bei gleicher Gehgeschwindigkeit erzeugt ein 20 kg schwerer Rucksack 2 – 3 W, und ein 30 kg schwerer 4 – 5 W. In Philadelphia wird außerdem die Gesellschaft Lightning Packs LLC gegründet, um das Patent anzumelden und das Produkt zu kommerzialisieren.
Eine technisch sehr viel einfachere Lösung, die allerdings auch wesentlich leistungsschwächer ist, wird im September 2007 vorgestellt. Dieser Rucksack besitzt piezoelektrische Trägergurte aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), das sich wie Nylon anfühlt. Bei einem Rucksackgewicht von 45 kg und einer Marschgeschwindigkeit von 3,2 bis 4,9 km/h können 45,6 mW erzeugt werden – zumindest in der Simulation.
Piezoelektrischer Rucksack
So gering dies auch klingt, es reicht dennoch aus, um eine LED-Stirnlampe zu betreiben (~ 38 mW), einen iPod Nano (~ 46 mW) oder ein Motorola Razr Handy, das im Standby-Modus ~ 9 mW verbraucht (~ 360 mW im Gesprächsmodus). In einer im Rucksack integrierten Batterie kann die Energie so akkumuliert werden, daß ein 20-minütiger Marsch es erlaubt, 2,5 Minuten lang zu telefonieren.
Die Entwicklung geht auf Ingenieure der Michigan Technological University, der Arizona State University und der Firma NanoSonic Inc. in Blacksburg, Virginia, zurück. Letztere liefern auch das selbst aufgebaute Nanokompositmaterial namens ‚Metal RubberTM’, aus dem die neuartigen Bandelektroden geschneidert werden. Im Labor ist bereits eine 100 nm dünne Elektrode hergestellt worden, die sich unter Beibehalt ihrer Leitfähigkeit um das Zehnfache auseinanderziehen läßt und danach wieder auf ihre ursprüngliche Größe zusammenschrumpft.
Hier begegnet uns auch der zukünftig vermutlich immens wachsende Markt der Strom-produzierenden Textilien. Eines der ersten Patente dazu wurde am 23.02. 2001 von dem US-Unternehmen SRI International eingereicht (US 6.768.246) und am 27.07. 2004 erteilt: „Biologically Powered Electroactive Polymer Generators“.
Auf einem nicht näher bezeichneten Video, das im Oktober 2009 zu sehen ist, kann man beobachten, daß der militärische Rucksack inzwischen schon sehr weit entwickelt ist und je nach Laufgeschwindigkeit zwischen 8 und 44 W erzeugt.
MIT Laufgenerator
Das Ziel, auch ohne einen Rucksack beim gehen Strom erzeugen zu können, motivierte schon um 1998 herum Joe Paradiso vom Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Joggingschuh zu entwickeln, bei dem jeder Schritt einen schwachen elektrischen Puls durch die Sohle jagt. Der Forscher arbeitete piezoelektrische Keramiken in das Sohlengummi ein, die bei ihrer Verformung genügend elektrische Energie abgeben, um z.B. einen kleinen GPS-Navigationssender zu betreiben.
Auch wenn er nie bis zum Produkt entwickelt wurde, ist der Schuh inzwischen legendär. Er gilt immerhin als Initialzündung für ein als 
Energy-Harvesting (Energie-Ernten) bezeichnetes neues Forschungsgebiet, das ich im nachfolgenden Kapitel präsentieren werde.
Weiterentwickelt wird statt dessen eine komplizierte mechanische Schuh-Montur, die wohl eher zum ‚Steam-Punk’ paßt. Hierbei sorgt ein kleiner Dynamo und diverse Rädchen für die Stromerzeugung von 10 – 250 mW beim Gehen.
Energie-Schuh
Doch während das MIT einige zehntausend Dollar ausgeben muß, um diese Energieausbeute zu erreichen, entwickelt im Jahr 2002 Ashok Sharma, Chemie-Lehrer an einer kleinen Schule in Mandi, Himachal Pradesh, den Prototyp eines batterieaufladenden Schuhs, der ebenfalls die kinetische Energie des Laufens in elektrische Energie umwandelt. In der an dicke ‚Klotten’ oder an die Plattformschuhe der Pop-Ära erinnernden Sohle befinden sich ein kleiner Dynamo nebst einem Kondensator, die etwa 2 V liefern können. Die Produktionskosten beziffert Sharma auf rund 4 $.
Der Erfinder kreiert sich damit eine neue Einnahmequelle, indem er beim Herumlaufen die Handys von anderen Personen auflädt – für ein paar Rupien.
Ich denke, daß dieser Vergleich repräsentativ dafür ist, mit welch unterschiedlichen Mitteln (und mit welch unterschiedlichen Motivationen!) in der ersten bzw. dritten Welt Innovationen angegangen werden... und wo unsere entsprechende Unterstützung eigentlich sinnvoll wäre.
Bereits 2006 präsentieren die Wissenschaftler Zhong Lin Wang und Jinhui Song vom Georgia Institute of Technology den Prototyp eines Nanogenerators, der die Energie von Körperbewegungen ernten kann. Dabei wird das Strecken und Zusammenziehen von Nanodrähten aus ungiftigem – und daher sogar implantierbarem – Zinkoxid genutzt. Beim Strecken entsteht in diesen ein abzapf- und speicherbarer piezoelektrischer Impuls.
Ich werde über den Einsatz von piezoelektrischem Material noch ausführlicher in dem Kapitel Micro Energy Harvesting sprechen.
BrightWalk
Einen ausgereiften Sportschuh, dessen piezoelektrische Ausstattung dazu dient, die am Rand der Sohle angebrachten elektrolumineszierende Polymere zum aufleuchten zu bringen, stellt im Mai 2007 der aus Mexiko stammende Industriedesigner Alberto Villarreal vor – unter dem Namen ,BrightWalk’. Er arbeitet schon seit Jahren an dieser Entwicklung und hat auch schon am Pop Sci and Core77 Wettbewerb 2003 teilgenommen.
Interessanterweise bietet der Fuß-Spezialist Dr. Richard D. Koenig aus St. Louis ab 2007 einen quasi inversen Schuh für 60 $ an, der nicht aus Vibrationen Strom erzeugt – sondern mit Strom aufgeladen werden muß, um beim Gehen zusätzlich und gesundheitsfördernd zu vibrieren. Den Name des Schuhs ist Programm: ,Good vibrations’!
NTT Power Shoe
Im Oktober 2008 stellt auch der japanische Telekomriese NTT den Prototypen einer Sandale vor, die beim Gehen genug Elektrizität erzeugt um beispielsweise einen iPod am Laufen zu halten. In die Sohle ist ein flüssigkeitsgefülltes Kissen mit einer Miniaturturbine integriert, so daß sich das Wasser bei jedem Schritt bewegt und die Turbine in Drehung versetzt. Der derzeitige Prototyp sieht allerdings noch sehr improvisiert aus. Die Sandale soll 1,2 W erzeugen können, doch das Unternehmen ist bemüht, die Kapazität des E-Schuhs auf 3 W zu erhöhen. Bereits im Jahr 2010 will NTT damit beginnen, den Stromschuh in Serie zu produzieren.
Selbstbau Energie-Schuh
Auf dem US-Selbstbau-Portal instructables.com gibt es inzwischen eine kostenlose und ausführlich bebilderte Anleitung für die Herstellung eigener stromerzeugender Schuhe. Alles, was man dafür benötigt, sind ein Paar Schuhe, die man ohne Probleme an der Sohle aufschneiden kann, sowie einiges an Zubehör. Laut der Anleitung soll die Technik sowohl beim normalen Spazierengehen, als auch beim Joggen funktionieren.
Ladeelement von Lola Mensa
Die argentinische Designerin Lola Mensa stellt im August 2009 und in Zusammenarbeit mit Nike das Designkonzept einer stromerzeugenden Schuheinlage vor. Das Zubehör für Turnschuhe besteht aus einer schmalen Plastikmatte, die zwischen Schnürsenkel und Schuhzunge gesteckt wird. Die integrierten winzigen Generatoren erzeugen bei jeder Biegung der Matte Strom, der in einen Akku geladen wird. Über einen Mini-USB-Buchse können dann angeschlossene Kleingeräte versorgt werden.
Einen Vorläufer dieses Konzeptes bildet die Entwicklung des Designers Josh Pell von der Swinburne University, mit der sich dieser ein Jahr zuvor am Australischen James Dyson Design-Wettbewerb 2008 beteiligt hatte.
Viber Burst
,Viber Burst’ ist ein innovatives Energie-erntendes System in Form einer kleinen Kapsel, die an der Kleidung getragen oder an den Schuhen befestigt wird und die menschliche Bewegungsenergie in Strom umwandelt. Besonders interessant ist dabei die Idee, die gesamte angespeicherte Energie anschließend mit einem einzigen, weniger als 2 Sekunden dauernden, sogenannten ‚Burst-Dump’ in die Batterie des Mobiltelefons zu transferieren – woher auch der Name dieses Entwurfes stammt.
Einen weiteren Ansatz bildet der biomechanische Generator, den man sich ums Knie bindet und der bei jedem Vorwärtsschwingen des Unterschenkels Elektrizität erzeugt, der Anfang 2008 von Max Donelan von der Simon-Fraser-Universität im kanadischen Burnaby vorgestellt wird. Der Knie-Dynamo für Fußgänger kommt beim normalen Schrittempo auf eine Leistung von 5 W und liefert damit genug Strom für elektrisch getriebene Prothesen, medizinische Implantate oder umgerechnet zehn Handys. Das orthopädischen Kniestützen ähnelnde Gerät ist allerdings fast 1,6 kg schwer, es erzeugt 4,8 W – 7,0 W.
Normales Laufen ohne Knie-Dynamo kostet den Körper eine Leistung von durchschnittlich 307 W, mit dem (ausgeschalteten) Dynamo am Knie sind es 366 W, also rund 20 % mehr, was als inakzeptabel hoch gilt. Eine neue, leichtere Version des Gerätes soll diesen Mehraufwand verringern. Denn der Wirkungsgrad kann sich sehen lassen: Beim Einschalten des Dynamos erhöht sich der Energieverbrauch nur auf 371 W, die auch fast vollständig als Strom erzeugt werden. Ein sehr gutes Verhältnis: Bei den o.g. Handkurbelgeneratoren ist die Energiegewinnung im Vergleich dazu viel teurer, da man hier meist mehr als 6 W für jedes generierte Watt aufbringen muß.
Knie-Generator
Auch an der ETH Zürich wird ein elektromechanischer Generator fürs Knie entwickelt. Dort beschäftigen sich Gerhard Tröster und seine Kollegen vom Wearable-Computing-Labor mit einem System, bei dem mit Hilfe eines elektrischen Leiters, der durch ein Magnetfeld schwingt, Strom erzeugt wird. Das Resultat sei aber noch zu unbequem, meinen die Forscher, die einen Bedarf nach dieser Stromerzeugungsmethode insbesondere bei Sensoren im Körper sehen, die dereinst z.B. den Verschleiß von künstlichen Hüftgelenken überwachen sollen.
An der ETH wird auch im Detail gemessen, welche Körperbewegungen am meisten Strom liefern und mit welcher Frequenz Energiepulse erzeugt werden können. Am größten ist die Ausbeute am Fuß, am geringsten am dem durch die Wirbelsäule gut gefederten Kopf.
Mit der körpereigenen Energie wollen die ETH-Forscher zukünftig allerdings primär ihre ‚wearable electronic’ (Elektronik zum Anziehen) versorgen. Dabei ist das Ziel, daß die Geräte nicht stören dürfen und unmerklich mit der Kleidung verschmelzen. Anfang 2008 arbeitet man deshalb an Piezofasern, die sich in Kleidung einweben lassen sollen, womit alleine durch die Dehnung des Stoffes Strom generiert werden könnte.
IQ WAVES
Sehr interessant ist an dieser Stelle auch die Erfindung ,Warming Waves’, die 2007 mit dem Preis der Quelle InnovationsInitiative ausgezeichnet wird. Sie stammt von den beiden Hamburgern Christian Wiedemann und Michael Dehn, die zur Vermarktung ihrer Innovationen bereits 2005 die IQTEX GmbH gründet hatten.
Die international patentierten ,IQ WAVES’ Schuheinlagen erzeugen durch die Umwandlung menschlicher Bewegungskraft Wärme und kommen völlig ohne Batterien oder chemische Zusätze aus. Dabei ist die Beheizung der Schuhe regelbar, so daß ein unkontrolliertes Überhitzen von Schuhen und Füßen unmöglich ist. Ein weiterer Vorteil sind die guten Dämpfungseigenschaften, die ebenfalls auf die neu entwickelten Materialien zurückzuführen sind.
Das neuartige Schuhklimatisierungssystem funktioniert nach dem Prinzip, daß Reibung Wärme erzeugt. Hier geschieht dies über zwei ineinandergreifende Lammellenreihen aus Kunststoff, die in der Sohle eingebaut sind. Beim Gehen reiben sich die Lamellen aneinander und erzeugen so ausreichend Wärme, um auch bei Minusgraden warme Füße zu behalten. Die Schuhheizung wird von mehren unabhängigen Prüfinstituten getestet. Diese stellen fest, daß die Temperatur beim Laufen um zehn Grad erhöht wird.
Bisher gibt es die wärmenden Einlegsohlen nur als Versuchsreihe. Die prämierte und patentierte Erfindung soll aber noch in diesem Jahr in Serie gefertigt und von Quelle verkauft werden (was nach dem Konkurs des Versenders allerdings ziemlich fraglich erscheint).