Berlin - Ein tragbarer thermoelektrischer Generator kann die Wärme des menschlichen Körpers in elektrischen Strom umwandeln. Die mit einem armbandgroßen Gerät erzeugte Elektrizität reiche aus, um Armbanduhren oder Fitnesstracker mit Strom zu versorgen, berichtet ein Forscherteam um Jianliang Xiao von der University of Colorado in Boulder (Colorado, USA). Es präsentiert den Herstellungsprozess und die Eigenschaften des thermoelektrischen Generators im Fachjournal Science Advances. Unterschiedlich große Generatoren könnten auch an Beinen oder an Fingern getragen werden.

„In Zukunft möchten wir Ihre tragbare Elektronik ohne Batterie betreiben können“, wird Xiao in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Denn während Batterien irgendwann ersetzt oder aufgeladen werden müssen, könne das tragbare thermoelektrische Gerät die Elektronik mit konstanter Leistung versorgen. Thermoelektrische Generatoren nutzen Temperaturunterschiede, um eine elektrische Spannung zu erzeugen – einige sind schon auf dem Markt. Die Spannung ist umso größer, je höher der Temperaturunterschied ist. Doch der Unterschied zwischen der menschlichen Haut und der Umgebungsluft reicht gewöhnlich bereits für eine kleine Spannung und damit zur Stromgewinnung aus.

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Auch im Winter sind Jogger oft unterwegs und messen ihre Leistung. Für ihre Treckingarmbänder werden sie in Zukunft vielleicht keine Batterien mehr benötigen.

Die Forscher wählten einen speziellen Ansatz, der starre thermoelektrische Chips mit einem sehr flexiblen Substrat als Untergrund kombiniert. Bei den Chips werden Metalle als Leitungsstrukturen auf einen Polyimid-Kunststoff aufgedampft. Nach der Montage stecken diese Chips dann hintereinander in dem biegsamen und dehnbaren Kunststoff Polyimin, der zudem elektrische Kontakte aus einer flüssigen Metalllegierung aus Gallium und Indium aufweist. Darüber wird der Strom zu einem Gerät abgeleitet. „Unser Design macht das gesamte System dehnbar, ohne das thermoelektrische Material stark zu belasten, was sehr spröde sein kann“, betont Xiao.

Das Substrat aus flexiblem Kunststoff und Flüssigmetall hat selbstheilende Eigenschaften: Wenn man an einer gerissenen oder geschnittenen Stelle beide Teile zusammenschiebt, dann verbinden sich die Kunststoffketten und die metallischen Kontakte innerhalb einer Viertelstunde wieder. Zudem können die einzelnen Einheiten des Geräts nahtlos zu einer größeren Fläche, beispielsweise einem Armband, kombiniert werden. „Es ist, als würde man ein paar kleine Legosteine zu einer großen Struktur zusammenfügen“, erklärt Xiao.

Der Generator soll billig, zuverlässig und gleichzeitig umweltschonend sein

Der Nachteil des Geräts in dieser Form ist, dass es sich stark aufheizt, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt ist. Deshalb verwendeten die Forscher als Abdeckung ein Glas-Polymer-Hybrid-Metamaterial, das Sonnenlicht in hohem Maße reflektiert. Die Wärmeabstrahlung dieses Metamaterials liegt großteils im sogenannten „atmosphärischen Fenster“ (Wellenlänge: 8 bis 13 Mikrometer), durch das die Strahlung direkt ins Weltall gelangt.

Der thermoelektrische Generator aus Colorado besteht aus Materialien, die bereits regelmäßig hergestellt werden. In Versuchen konnten die Wissenschaftler außerdem nachweisen, dass sich das Gerät in einer Lösung vollständig in seine Bestandteile zerlegen lässt. Daraus lassen sich auch wieder neue thermoelektrische Generatoren bauen. „Wir versuchen, unsere Geräte so billig und zuverlässig wie möglich zu gestalten und gleichzeitig die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten“, sagt Xiao. In fünf bis zehn Jahren, schätzen die Forscher, könnten ihre Geräte auf den Markt kommen.