TEIL C

MUSKELKRAFT

Treten und Tanzen (3)

Ein dem PEG recht ähnliches Gerät wird im Mai 2009 von dem Industriedesigner Kyle Toole unter dem Namen Etive kinetic energy charger präsentiert.

Es verwendet hochwertige Neodym-Magneten (NdFeB) und eine Kupferdrahtspule, um die natürlich vorkommenden Vibrationen und Stoßkräfte zu nutzen, die sich am Knie konzentrieren, nachdem die Ferse während des Gehens auf den Boden schlägt.

Das Gerät soll eine 1.500 mAh NiMH-Batterie in rund neun Stunden aufladen können, während eine weiterentwickelte Version einen 2.000 mAh Lithium-Ionen-Akku in ca. fünf Stunden aufladen könnte. Es läßt sich jedoch nichts darüber finden, ob der Lader jemals in Produktion gegangen ist.

Im Juli 2009 erscheinen in den Blogs die ersten Informationen über eine Alternative zur herkömmlichen Gebetskette oder dem Rosenkranz – denn mit dem Chukka Kinetic Music Player kann man genauso gut herumfingern - und dabei auch noch Strom produzieren und Musik hören!

Die Entwicklung des britischen Designers Tom Mascall besteht äußerlich aus wiederverwertbarem Polyurethane und hat ein Innenleben aus Edelstahl: Die einzelnen Elemente Musikspeicher, Akku, Induktionslader und Steuerung werden durch ein hochflexibles Datenkabel miteinander verbunden.

Das ebenfalls im Juli 2009 vorgestellte Modell Shakenergy der südkoreanischen Firma Mintpass Co. Ltd. aus Seoul ist zweigeteilt.

Im vorderen Teil befindet sich ein Nickel-Metalhydrid-Akku zum Speichern der Energie, während im hinteren Teil ein kleiner Magnet sitzt, der beim Schütteln durch eine Spule gleitet und elektrischen Strom induziert.

Es läßt sich allerdings nichts darüber finden, daß das Gerät tatsächlich auf den Markt gekommen ist. Bei einem späteren Update ist nur festzustellen, daß die Firma inzwischen als einziges Produkt einen sogenannten Mintpad anbietet, der als tragbarer Multimedia-Player mit Internetfunktion bezeichnet wird. Über den kinetischen Wandler ist dagegen nichts mehr zu finden.

Die Idee einer weiteren Schüttel-Batterie namens powered by you kommt schon zwei Monate später, im September 2009, in die Blogs. Diesmal geht die Innovation auf die norwegische Designerin Jan Kristian Stroemsnes und ihre im britischen Cheshire neu gegründete Firma Stolt Design Solutions Ltd. aus Oslo zurück (die schon Ende 2014 wieder aufgelöst wird).

Im November 2009 stellen die Designer Hak Hyeon Ryu und Gil Ho Jin das clevere Konzept einer selbststerilisierenden Zahnbürste vor, die auf einem piezoelektrischen Film basiert.

Dabei wird die kinetische Energie genutzt, die beim Bürsten der Zähne erzeugt wird – wobei etwa 700 Hübe im Laufe von drei Minuten ausreichen sollen, um die Batterie mit genügend Strom für zwei Funktionen aufzuladen: das nach Gebrauch der Zahnbürste automatische Anschalten der UV-LED sowie einer als ,heat rays’ bezeichneten Heiz- und Trockenfunktion, die den Bakterien gemeinsam den Garaus machen.

Im gleichen Monat präsentieren die Designer Choi Hyung-Suk und Yun Jung-Sik ein variantenreiches Modell namens Human Energy Recycle System, das die während des Gebrauchs von Trainingsgeräten oder beim Radfahren nutzbar gemachte Energie in einem Akku speichert - aber ebenso auch die Bewegungsenergie von Haustieren nutzen kann.

Das System umfaßt sogenannte Solution Units, leichte, kompakte und tragbare Einheiten, die an verschiedenen Stellen des menschlichen Körpers angebracht werden und die Energie aus dem Drehen, Schütteln und Stampfen, dem Herzschlag und verschiedenen anderen Arten von Bewegungen, ebenso wie aus der Körpertemperatur sammeln und in der ,Standard Battery’ speichern, die jeweils im Inneren installiert ist (die auch gleich als internationaler Standard nach ISO 216 eingeführt werden soll).

Die Einheiten können dann entfernt und verwendet werden, um Handys, MP3-Player u.ä. zu laden. Alternativ kann die Energie der Batterien zur späteren Verwendung in der Application-Unit gespeichert werden.

Im Januar 2010 stellt der japanische Mobilfunkriese NTT DoCoMo ein Konzepttelefon für das Jahr 2020 vor, welches die durch die Bewegungen des Benutzers erzeugte kinetische Energie nutzt, um sich mit Strom zu versorgen.

Das Unternehmen plant ein besonders umweltfreundliches High-Tech-Mobiltelefon aus recycelten Materialien, das zudem mit diversen Zusatzfunktionen ausgestattet ist. Dazu gehören z.B. eine Simultanübersetzungs-Software, ein kleiner Flip-Top-Screen mit Video-Chat, eine Fernbedienung, um den Robo-Staubsaugern Befehle zu geben, sowie die Möglichkeit, Bildprojektion in Form eines Hologramms auf eine Wand oder in die Luft zu werfen. Darüber hinaus soll es als ID verwendet werden können, um die eigene Wohnung zu betreten oder einen Flug zu buchen.

Im März wird dann allerdings bekannt, daß der Telecom-Riese Nokia bereits im August 2008 das Patent für ein Handy angemeldet hat, das mittels kinetischer Energie geladen wird (US-Nr. 20100045241). In dem Patent wird ein Aufbau skizziert, bei dem schwere Teile des Handys wie der Akku auf einer Schiene beweglich gelagert. An den Seiten befinden sich piezoelektrische Streifen, die beim ,Aufschlagen’ des Akkus infolge der Bewegungen des Benutzers Ladungen an einen Kondensator abgeben.

Ebenfalls im Januar 2010 meldet The Jakarta Globe, daß Studierende am Sepuluh Nopember Institute of Technology (ITS) in Surabaya, der Hauptstadt von Ost-Java, den Prototyp eines kinetischen Ladegeräts gebaut haben, das an einem Gürtel befestigt Bewegungsenergie in Strom umwandelt.

Das recht große und klobige Gerät mit transparenter Plexiglasverpackung verfügt über einen Induktionsstroms-Generator aus Magnet und Spule sowie eine eingebaute Batterie, von der aus die gewonnene Energie auf Mobiltelefone übertragen werden kann. Die Entwickler hoffen, daß der Prototyp durch das Militär genutzt wird, um die Kommunikationsgeräte der Soldaten unterwegs aufzuladen.

Was gar nicht so abwegig ist falls sich Angaben bestätigen sollten, denen zufolge das kinetische Ladegerät bis zu 150 W Leistung erzielt. Während der Tests sei es gelungen, mit einer Laufgeschwindigkeit von 4 km/h einen Handy-Akku in nur 5 Minuten vollständig aufzuladen.

Von den Designern Sae Hee Lee, Sungjae Lee und Hyemi Lee stammt wiederum ein Konzept namens Dewlighting, das im August 2010 in den Blogs erscheint.

Das System wird entwickelt, um Menschen dabei zu helfen am Leben zu bleiben, falls sie bei Wanderungen verloren gehen. Denn zum einen kann es als Taschenlampe oder Beleuchtung dienen, die aufgeladen wird, indem sie geschüttelt wird.

Das Dewlighting hat aber noch eine zweite, nicht minder wesentliche Funktion: als Beleuchtung an einem Baum aufgehängt kann ein kleiner, flexibler Sack entfaltet werden, der im Laufe der Nacht die Wassertropfen des Taus sammelt, die man später trinken kann.

Im Juli 2011 taucht die Technik erneut auf – diesmal allerdings nicht zum Erzeugen von Licht, sondern nur zum Laden von Handys und ähnlichen elektronischen Kleingeräten.

Unter dem Namen FREEcharge stellt der britische Produktdesign-Student Joe Mattley den Prototyp eines kinetischen Energie-Ladegeräts für Wanderer, Abenteurer und Outdoor-Camper vor.

Der Schüttel-Generator besitzt eine Kupferspule mit 2.500 Windungen, einen Neodym-Magneten sowie einen Superkondensator zur Speicherung des erzeugten Stromes. Es bleibt allerdings bei dem universitären Projekt ohne kommerzielle Umsetzung.

Im September 2012 wird bekannt, daß der Firma Apple das Patent für eine shake-to-charge genannte Technologie erteilt wurde, die eines Tages Strom für iPods und iPhones liefern soll. Bei dieser Methode der elektromagnetischen Induktion will Apple ausgedruckte Spulen und bewegliche Magneten verwenden, die gemäß dem Patent auf den tragbaren Geräten montiert werden können.

Im November 2013 wird auf der IENA, der internationalen Fachmesse für Ideen, Erfindungen und Neuheiten in Nürnberg, eine stromerzeugende Power-Hantel präsentiert, die gleich vier Dinge verbindet: Den Körper trainieren, dabei Strom erzeugen, die Umwelt schützen und Geld sparen. Die erzeugte Energie läßt sich einfach durch eine USB-Buchse abgreifen.

Die clevere Erfindung stammt von drei Auszubildenden der Firma Pfleiderer, die damit bei dem Wettberwerb ,Jugend forscht Bayern 2013’ teilnehmen.

Ein System, das dem o.e. Dance Charge ähnelt, wird im Dezember 2013 in der Presse vorgestellt. Das myPower genannte Gerät, das bislang aber nur als grob 3D-gedruckter Entwurf existiert, stammt von einer Studentengruppe des Institute for Sustainability and Energy (ISEN) der Northwestern University un Evanston, Illinois. Die Entwicklung durch Tajas Shastry, Michael Geier und Alexander Smith erfolgt im Rahmen der NUvention: Energy Kurse, die an der McCormick School of Engineering in einer Partnerschaft zwischen dem Farley Center und dem ISEN durchgeführt werden.

Bei dem nach dem Prinzip der Induktion funktionierenden Teil rotiert ebenfalls ein Magnet in einer Metallspule und erzeugt so Strom. Nach Angaben der Forscher reichen bereits 45 Minuten Joggen aus, um einen Smartphone-Akku für acht bis neun Stunden aufzuladen.

Was natürlich nicht stimmt, ist die Behauptung, daß es sich um das erste Gerät handelt, welches speziell für Jogger konzipiert wurde. Um aus dem Prototypen ein fertiges Produkt zu machen, wird ein USB-Anschluß integriert und der neue Name AMPY MOVE geschaffen. Sollte das Gerät in Serienproduktion gehen, soll es für etwa 60 $ zu haben sein.

Im Oktober 2014 wird unter dem Slogan „Your movement is your power“ eine Kickstarter-Kampange gestartet, um mindestens 100.000 $ für die erste Produktion von 1.000 Einheiten zu sammeln – bei der tatsächlich sogar 309.323 $ von 2.573 Unterstützern zusammenkommen. Als Datum für den Verkaufsstart des kinetischen 1.000 mAh Akkupacks wird der Juni 2015 genannt.

Die Seite pocketnavigation.de veröffentlicht im Dezember 2015 allerdings einen vernichtenden Testbericht, in dem vom Kauf dringend abgeraten wird.

Im März 2014 wird von Forschern um Guang Zhu und Zhong Lin Wang vom Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems bzw. dem Georgia Institute of Technology in Atlanta unter dem Titel ,Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator’ im Fachmagazin Nature Communications die Beschreibung eines triboelektrischen Generators veröffentlicht, der einen Wirkungsgrad von etwa 24 % erreichen soll.

Über dessen Grundlagen hatten Wang et. al. bereits im März 2012 geschrieben (Flexible triboelectric generator), während 2013 von einem großen, transparenten Haut-basierten triboelektrischen Generator berichtet wird, der zwar 1.000 V produziert, aufgrund des verwendeten Indiumzinnoxid als Elektrode aber nicht sehr flexibel ist.

Der triboelektrische Effekt, bei dem sich bestimmte Materialien elektrisch aufladen, wenn sie gegeneinander gerieben werden, ist z.B. für die statische Aufladung verantwortlich, die auftritt, wenn man sich die trockenen Haare kämmt. Mehr zu entsprechenden Umsetzungen findet sich im Kapitel Micro Energy Harvesting.

Der reibungselektrische Generator mit einem Output von 1,5 W kann ohne Umweg über eine Batterie LED-Lampen, Smartphones oder andere elektronische Geräte versorgen. Seine Spannung gewinnt er wahlweise über ein Miniwindrad, eine kleine Turbine oder eben das Schütteln mit der Hand, sofern zwei Trägheitsmassen ungleichmäßig am Generatorgehäuse angebracht werden.

Im Wesentlichen besteht der Generator aus einem beweglichen Teil (Rotor), beispielsweise einem Miniwindrad, und einem unbeweglichen (Stator). Der winzige Stator ist aus Goldelektroden aufgebaut, die wie Klaviertasten nebeneinanderliegen. Um die Abnutzung so gering wie möglich zu halten, sind die Goldelektroden in Kunststoffe eingebettet. Bewegt sich der Rotor schleifend darüber hinweg, baut sich zwischen je zwei Elektroden eine Spannung auf. Der entstehende Wechselstrom kann dann sofort für elektronische Geräte genutzt werden.

Nach Angaben der Forscher verfügt der Generator über eine hohe Leistungsdichte. Dieselbe Leistung, für die ein handelsüblicher Mini-Generator ein Volumen von 8,2 cm³ und ein Gewicht von 29 g benötige, erzeuge der reibungselektrische Generator mit einem Volumen von nur 0,6 cm³ und einem Gewicht von 1,1 g. Die Forscher sind davon überzeugt, daß ihr Generator für eine breite Palette an Anwendungen in Frage kommt, da er robust und sehr effizient sei sowie in der Herstellung wenig koste. Außerdem sei auch nach der Erzeugung von zehn Millionen Zyklen Wechselstrom keine Verringerung des entstehenden Stroms meßbar.

Im August 2015 legt Wang noch einmal nach: Der Materialwissenschaftler zeigt gemeinsam mit seinem Team an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking, das mit seinem Energie-erntendem System bereits einen Herzschrittmacher betreibt, daß damit auch genug Strom erzeugt werden kann, um einen Laser zur Beschleunigung der Knochenheilung zu betreiben.

Die Wichtigkeit dieser Entwicklungen besteht darin, daß tragbare Geräte, die Energie von Bewegungen des Inhabers ernten und in elektrische Energie umwandeln, bei medizinischen Implantaten helfen könnten, die Unannehmlichkeiten des Batterieaustauschs zu vermeiden, ebenso wie das Risiko von Folgeoperationen, um sie zu ersetzen.

Wangs neuer Wandler besteht aus einer elektrischen Schaltung, die sich aus zwei flexiblen Filmen mit entgegengesetzt geladenen Oberflächen zusammensetzt – einer aus dem Silizium-basierten organischen Material Polydimethylsiloxan, und der andere aus Indiumzinnoxid. Sobald mit der Biegung eines Ellbogens oder der Atembewegung der Brust die Filme gequetscht werden, liefert die Änderung der Spannung zwischen ihnen einen Strom.

Da Biologen bei In-vitro-Tests mit Mäusen nachgewiesen haben, daß ein implantierbarer generatorbetriebener Infrarot-Laser niedriger Intensität die Verbreitung der Frühphasen-Knochenzellen, einem wichtigen Teil der Knochenheilung, nach zwei Tagen im Vergleich zu unbehandelten Zellen um 15 % beschleunigt, entwickelt Wangs Team nun eine einfache, selbstgespeiste Einrichtung für die Durchführung dieser Art von Licht-Therapie.

Das Gerät wandelt etwa 50 % der mechanischen Energie in elektrische Energie um, was zwar als Machbarkeitsnachweis ausreicht, nicht aber für praktische Systeme, die höhere Umwandlungsraten erfordern. Wenn das Gerät auf der Haut des Ellenbogens einer Person angebracht wird, feuert der Laser bislang nur einmal pro Minute.

Schon knapp ein Jahr nach der Veröffentlichung der Informationen über den triboelektrischen Generator durch Wong stellen Wissenschaftler der National University of Singapore um Prof. Chengkuo Lee auf der IEEE MEMS 2015 Konferenz im Februar eine Art Hautpflaster vor, das 90 V Leerlaufspannung bei einer Leistung von 0,8 mW erzeugt, wenn man sanft mit einem Finger darauf klopft. Was immerhin zwölf kommerzielle LEDs aufleuchten lassen könnte.

Der auf auf Haut getragene glänzende Aufkleber von der Größe einer Briefmarke kann aber auch Energie aus der Reibung des Pflasters auf der Haut erzeugen, wenn die darunter liegenden Muskeln bewegt werden. Bei Tests auf der Haut des Kiefers und des Unterarms liefern die Bewegungen des Sprechens bzw. des Zusammenpressens der Faust 7,3 V und 7,5 V.

Das Pflaster besteht aus einer 50 nm dicken Goldschicht, die als eine Elektrode fungiert und unterhalb einer Silikongummischicht sitzt, die von Tausenden kleiner Säulen bedeckt ist, um mehr Fläche für den Hautkontakt zu schaffen, da die höhere Oberfläche auch mehr Reibung erzeugt.

Die Forscher hoffen, daß die Technologie in Zukunft auch größere Geräte wie Smart-Uhren und sogar Smartphones betreiben kann, um möglicherweise die Notwendigkeit von Batterien endgültig zu beseitigen.

In der Märzausgabe 2015 der Fachzeitschrift ACS Nano stellt ein weiteres internationales Team von Wissenschaftlern ein Spezialgewebe vor, das erfolgreich verwendet werden kann, um als stromerzeugender triboelektrischer Nanogenerator (TNG) zu dienen.

Die Arbeit der Forscher der Sungkyunkwan University in Korea und der University of Wollongong in Australien könnte den Weg für Kleidung ebnen, welche Geräte auflädt, indem man einfach in ihr herumläuft.

Zur Herstellung des Gewebes wird ein flexibler Stoff mit Silber beschichtet, zusammen mit Polydimethylsiloxan und Arrays aus Zinkoxid-Nanostäbchen. Anschließend werden vier Schichten des Materials übereinander gestapelt und zusammengepreßt.

Sobald sich die Gewebestücke des TNG gegeneinander verschieben, erzeugen sie Energie, die sofort als elektrischer Strom für LEDs, eine LCD-Flüssigkristallanzeige und einen schlüssellosen Auto-Zugangsanhänger verwendet werden kann. Es zeigt sich, daß der Stoff für mehr als 12.000 Zyklen die gleiche Spannung abgibt. Neben ihrer Verwendung als ,Ladebekleidung’ könnte die Technik auch bei biomedizinischen Geräten und berührungsempfindlicher Roboter-Haut zur Anwendungen gelangen.

Eine Idee, die wortwörtlich viel Anklang findet, kommt im Juni 2014 in die Blogs. Dabei handelt es sich um einen Percussions-Schüttler der Absolventin des Royal College of Art in London Diana Simpson Hernandez, der die Energie aus dem spielen in Strom umwandelt und speichert. Nach der Musik-Session können die Benutzer dann ein LED-Licht einstecken oder ihr Mobiltelefon aufladen.

Das Projekt namens Shake Your Power, bei dem es darum geht, Orte ohne Strom durch die Kraft der Musik mit sauberer Energie zu versorgen, wird von der britischen Perkussionistin Sudha Kheterpal der Gruppe Faithless konzipiert und geleitet. Ins Leben gerufen wird es in Kenia, wo 75 % der Bevölkerung noch immer ohne Zugang zu Elektrizität leben.

Mit der Fähigkeit, in der Nacht zu lesen, wird den Menschen die Chance auf eine bessere Bildung eröffnet, und ein aufgeladenes Telefon ermöglicht den Zugang zu Dienstleistungen wie z.B. dem Geldüberweisungssystem M-PESA, das ohne die Notwendigkeit eines regulären Bankkontos funktioniert. Es wurde von der kenianischen Mobilfunkfirma Safaricom in Kooperation mit dem Kommunikationsunternehmen Vodafone entwickelt und Anfang 2007 in Kenia eingeführt.

Auch Kheterpals Kickstarter-Kampange ist mit einem Ertrag von 53.001 £ durch 943 Unterstützer erfolgreich, wobei aber auch hier die Produktion noch nicht begonnen hat.

Schon im September 2014 folgt ein weiteres Musikinstrument, bei dessen Schütteln gleichzeitig Strom produziert wird. Es stammt von den Designers Jin Won Heo und Chang Man Son – die anscheinend einige Bildungslücken haben.

Sie preisen ihre neuen Lightning Maracas (Rumba-Rasseln) nämlich in einem Clip an, in welchem sein Einsatz explizit für die rund 200 Mio. syrischen Flüchtlinge empfohlen wird. Was seltsam anmutet, da die Gesamtbevölkerung Syriens tatsächlich nur rund 23 Mio. Personen beträgt, während sich weitere ca. 23. Mio. schon vor dem Bürgerkrieg aus wirtschaftlichen oder familiären Gründen im Ausland befanden und nur während der Ferien zu Besuch kamen.

Als Idee sind die Rasseln sinnvoll, denn der Strom aus dem im Griff integrierten Generator wird gespeichert – um nach Sonnenuntergang von den im gleichen Gerät eingebauten LEDs verbraucht zu werden. Umgesetzt worden ist das Konzept noch nicht.

Und auch im Jahr 2015 werden verschiedene neue Kleinstgeneratoren vorgestellt.

So zum Beispiel im August das Sicherheitslicht für nächtliche Jogger mit dem schönen Namen Million Mile Light, das die Startup-Firma Positively Human von Tom Lawton entwickelt hat.

Das nur 36 g leichte Gürtellicht wird durch die Bewegung des Läufers angetrieben, blinkt so lange, wie man läuft, und soll in einer Vielzahl von Farben auf den Markt kommen. Über einen internen Akku verfügt es nicht, statt dessen wird die Bewegung des Laufs mittels Neodym-Magneten direkt in den Strom umgewandelt, der benötigt wird um die vier ultra-hellen LEDs aufleuchten zu lassen, deren Licht durch spezielle Linsen konzentriert und verstärkt wird.

Die Sicherheits-Lichtblitze sind aus einer Distanz von 200 m sichtbar, die Brenndauer der LEDs wird auf 100.000 Stunden beziffert. Es wird besonders darauf hingewiesen, daß man das Gerät wegen seines Neodym-Magneten nicht verwenden sollte, wenn man schwanger ist oder einen Herzschrittmacher trägt. Ebenso sollte man auf einen Mindestabstand von gut 15 cm zu allen elektronischen Geräten achten.

Nach mehr als 100 Prototypen wird nun eine Kickstarter-Kampagne initiiert, um die Montagelinien ins Rollen zu bringen. Dabei wird das Million Mile Light zu einem Preis ab 19 $ angeboten. Bis Anfang Oktober 2015 beteiligen sich 1.714 Unterstützer mit 50.947 £, um das Projekt zu verwirklichen. Nun soll ein Exemplar umgerechnet rund 20 € kosten, wenn es ab Januar 2016 ausgeliefert wird.

Wobei der Erfolg etwas überrascht – denn nur ein Jahr zuvor war eine ähnliche Kampagne für ein fast identisches Produkt namens jmpLite (Jump Light) regelrecht baden gegangen, als statt der erwarteten 50.000 $ nur magere 3.863 $ zusammen kamen. Damals wurden als Initiatoren eine Marie-Christine Dadian und ihre Freunde in Phoenix, Arizona, genannt.

Das beim aktuellen Update bislang letzte Gerät dieser Art stammt vom Februar 2015 und basiert auf einer amüsanten und ziemlich frechen Idee.

Das Wankband von Pornhub soll sich nämlich jene Handbewegung zunutze machen, die vor allem bei der Betrachtung von Pornografie in wiederholtem Masse vorkommt.

Das Armband hat eine Waage mit einem kleinen Gewicht integriert, welche durch Handbewegungen ,schmutzige Energie’ (Zitat) erzeugt. Um danach andere Gadgets aufzuladen, gibt es einen USB-Anschluß – und eine kleine Energieanzeige zeigt dem Nutzer den aktuellen Energiestatus des Armbands an.

Für das Wankband werden übrigens noch Betatester gesucht!

 

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