Strom erzeugen durch Körperwärme! Wissenschaftler entwickeln einen neuen Typ von Wärmeleitungsgenerator, der effizient, langlebig und dehnbar ist

1975 wurde die weltweit erste Taschenrechneruhr auf den Markt gebracht.

Dieses tragbare elektronische Gerät der „Originalversion“ aus 18 Karat Gold kostete damals 3.950 US-Dollar (heute etwa 20.000 US-Dollar). Der hohe Preis schreckt die meisten Verbraucher ab, die „aus Respekt zuerst kaufen“ möchten.

Darüber hinaus erfordern die viel zu kleinen Zifferntasten die Verwendung eines passenden Stifts, um präzise klicken zu können, und die Batterie hält nur wenige Wochen.

Abbildung | Die weltweit erste Taschenrechneruhr Pulsar

Dennoch markierte die Einführung dieser Taschenrechneruhr den Beginn der Branche der tragbaren elektronischen Geräte.

Seitdem haben tragbare elektronische Geräte wie Smart-Armbänder, Virtual-Reality-Headsets und Smart-Brillen mit dem Aufkommen neuer Technologien, neuer Materialien und neuer Verfahren begonnen, „in die Haushalte der einfachen Leute Einzug zu halten“. Sie sind leicht und angenehm zu tragen. Sie können nicht nur externe Informationen effizienter verarbeiten, sondern auch menschliche Aktivitäten und den Gesundheitszustand überwachen.

Allerdings ist es für die Wissenschaftler derzeit noch eine große Herausforderung, tragbare elektronische Geräte und personalisierte Bioüberwachungssysteme kontinuierlich mit Strom zu versorgen.

Eine vielversprechende Lösung ist der Einsatz von Wärmeleitungsgeneratoren (TEGs), die Körperwärme in Elektrizität umwandeln.

Ein Wärmeleitungsgenerator, auch Seebeck-Generator genannt, ist ein Gerät, das den thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) nutzt, um Wärme (Temperaturunterschied) direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Der allgemeine Umwandlungswirkungsgrad liegt bei etwa 5–8 %.

Wenn an einem Wärmeleitungsgenerator ein Temperaturunterschied besteht, wird eine Spannung erzeugt, und wenn eine Spannung angelegt wird, entsteht ebenfalls ein Temperaturunterschied. Daher kann der thermoelektrische Effekt zur Stromerzeugung, Temperaturmessung und zum Kühlen oder Erwärmen von Objekten genutzt werden.

Der alte Wärmeleitungsgenerator, der auf dem thermoelektrischen Effekt basierte, verwendete jedoch eine Bimetallverbindung, die sehr sperrig war.

Gleichzeitig muss sich das TGM zur Aufrechterhaltung der Betriebseffizienz an gekrümmte Oberflächen anpassen und Wärmebarrieren minimieren sowie auch bei großen Verformungen eine lange Lebensdauer aufweisen.

Kürzlich ist einem Forschungsteam der University of Washington ein neuer Durchbruch in dieser Richtung gelungen: die Entwicklung eines hocheffizienten, dehnbaren Wärmeleitungsgenerators aus anorganischen Halbleitern und gedruckten multifunktionalen Weichmaterialien.

Abbildung | Tragbarer Wärmeleitungsgenerator aus 3D-gedrucktem multifunktionalem Elastomer-Verbundwerkstoff (Quelle: Dieses Dokument)

Es wird berichtet, dass dieser flexible, tragbare Wärmeleitungsgenerator nicht nur Körperwärme in elektrische Energie umwandeln kann, sondern auch weich, dehnbar, stark und effizient ist. In früheren Studien war es schwierig, diese Merkmale vollständig zu kombinieren.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Drucken von Flüssigmetall-Elastomer-Verbundwerkstoffen für leistungsstarke dehnbare thermoelektrische Generatoren“ wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht. Youngshang Han, Masterstudent für Maschinenbau an der University of Washington, ist der Erstautor des Artikels, und Mohammad Malakooti, ​​​​Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Washington, ist der korrespondierende Autor des Artikels.

„Wenn man Wärme einfangen kann, die sonst in die Umgebung verloren ginge, ist das hundertprozentig rentabel. Um diese Energie für energieautarke elektronische Geräte zu nutzen, ist eine höhere Leistungsdichte erforderlich. Additive Fertigung kann zudem die Effizienz bei der Herstellung dehnbarer Elektronik steigern und diese nahtlos in tragbare Geräte integrieren“, sagte Malakooti.

Dem Dokument zufolge kann der Prototyp des Wärmeleitungsgenerators auch nach mehr als 15.000 Dehnungszyklen bei 30 % Dehnung noch seine volle Funktionalität behalten. Diese hervorragende Leistung wird durch den Einsatz von 3D-Druck und die Anpassung der Materialeigenschaften jeder Schicht im TEG-Gerät erreicht. Daten zeigen, dass die Leistungsdichte dieses Wärmeleitungsgenerators 6,5-mal höher ist als die früherer dehnbarer Wärmeleitungsgeneratoren.

Abbildung ｜Stromerzeugungstest des Wärmeleitungsgenerators und des Aluminiumblocks. (Quelle: Dieses Dokument)

Um den Wärmeleitungsgenerator zu erstellen, druckte das Team Verbundwerkstoffe mit technischen Funktionen und strukturellen Eigenschaften in jeder Schicht. Unter anderem können die Metalllegierungen im Füllmaterial eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit bieten. Diese Metalllegierungen lösen die Probleme früherer Geräte wie mangelnde Dehnbarkeit, geringe Wärmeübertragungseffizienz und komplexe Herstellungsverfahren.

Um das Gewicht des Wärmeleitungsgenerators zu reduzieren und die Wärme direkt an den Halbleiter in der Kernschicht zu leiten, hat das Forschungsteam außerdem hohle Mikrokugeln darin eingebettet.

Abbildung | Schematische Darstellung des Aufbaus und der Herstellung eines dehnbaren Wärmeleitungsgenerators. (Quelle: Dieses Dokument)

Das Forschungsteam sagte, dass sie den wärmeleitenden Generator auf Kleidung und andere Objekte anwenden könnten, etwa zum Bedrucken dehnbarer Textilien und gekrümmter Oberflächen, und dass sie von seinem Potenzial für den Einsatz in selbstversorgender tragbarer Elektronik, thermischen Tastsensoren, Softrobotik und Mensch-Computer-Interaktion begeistert seien.

In Zukunft werden sie die Leistung des Wärmeleitungsgenerators weiter verbessern, indem sie die Gerätestruktur optimieren und geeignetere Materialien auswählen.

Malakooti sagte, ein einzigartiger Aspekt dieser Forschung sei, dass sie den gesamten Produktionsprozess abdecke, von der Materialsynthese bis hin zur Geräteherstellung und -charakterisierung. Dies gibt ihnen die Freiheit, neue Materialien zu entwerfen, kreativ zu sein und jeden Schritt des Produktionsprozesses zu konstruieren.

Referenzlinks:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202201413

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator