9 manieren om stroom op te wekken met je eigen lijf

Weleens bedacht dat je met je eigen lichaamswarmte elektriciteit kunt opwekken? Dat je tijdens het wandelen stroom kunt produceren, of misschien zelfs tijdens het in- en uitademen? Veel van de denkbare technieken staan nog in de kinderschoenen, maar de beloftes zijn groot: eindelijk onafhankelijk van het stopcontact.

In 2016 zullen er wereldwijd naar verwachting 1,4 miljard smartphones over de toonbank gaan, terwijl de mondiale verkoop van zogenaamde wearables – draagbare elektronica zoals slimme horloges en fitnesstrackers – zal oplopen tot 322 miljoen. Naarmate de belangstelling voor dergelijke apparaatjes groeit, zal vanzelfsprekend ook de vraag naar batterijen toenemen. Helaas hebben batterijen een betrekkelijk korte levensduur. Bovendien doet een oplaadbare batterij er uren over om weer op te laden. En dan is er ook nog lang niet altijd een stopcontact aanwezig. Voor al deze grote en kleine problemen is een prachtige oplossing (bijna) voorhanden: wek je eigen stroom op! Zonder dat je er iets van merkt je eigen elektriciteitscentrale zijn, kan dat? Een impressie van de mogelijkheden.

Stroom opwekken met je knie

De wat prestaties betreft meest aantrekkelijke aanpak is de kniegenerator. Het Canadese bedrijf Bionic Power is sinds 2008 bezig met het ontwikkelen van een kniegenerator die vooral bedoeld is voor reddingswerkers en militairen. Zij dragen tijdens hun activiteiten een grote hoeveelheid elektronische apparatuur met zich mee, zoals nachtkijkers, laserapparatuur, GPS, communicatie-installaties en zaklantaarns. Voor het laten functioneren van deze apparatuur is algauw 7 tot 9 kilo aan batterijen nodig. Het zou flink wat kilo’s schelen als de batterijen tijdens het wandelen opgeladen kunnen worden – iets wat de kniegenerator mogelijk moet maken.

De kniegenerator bestaat uit twee afzonderlijke beugels die aan onder- en bovenbeen worden bevestigd. Elke beugel is voorzien van een pakketje tandwielen dat met behulp van de scharnierende kniebeweging een generator aandrijft en zo de beweging omzet in elektriciteit. Bij een wandelsnelheid van 5,4 km per uur produceert de generator op vlak terrein 8 tot 14 W. Met een opgewekt vermogen van 12 W zijn in een uur vier mobiele telefoons op te laden. Die energieopbrengst is aanzienlijk hoger dan elke andere techniek. In 2017 zullen de eerste praktijkproeven met de PowerWalk bij het Amerikaanse leger plaatsvinden.

Energieke schoenen

Het opwekken van stroom tijdens het wandelen spreekt al heel lang tot de verbeelding. Zo vroeg Joseph Barbieri in 1925 in de Verenigde Staten patent aan voor een ‘elektrische schoen’. In de hak was een ingenieuze roterende generator aangebracht. In 1986 bedacht Nikola Lakic een schoen met een intern elektrisch verwarmingselement. De benodigde elektriciteit kwam van een generator in de hiel van de schoen, die gebruik maakte van de op- en neergaande beweging tijdens het wandelen.

Het meest bekend is de Engelse uitvinder Trevor Baylis, die in 2001 een piëzo-elektrische generator in zijn schoenen monteerde. Piëzo-elektrisch materiaal kan onder druk elektriciteit opwekken, zoals bijvoorbeeld bij een gasaansteker gebeurt. De 63-jarige uitvinder maakte in vijf dagen een wandeling van 160 kilometer in de Afrikaanse Namib woestijn en demonstreerde zo de werking van zijn schoenengenerator. Tijdens zijn dagenlange wandeling kon hij kleine accu’s opladen voor een radio en een mobiele telefoon.

De meest recente ontwikkelingen vinden plaats bij de Amerikaanse Louisiana Tech University. Hier bestudeert een team wetenschappers onder leiding van dr. Ville Kaajakari het gebruik van een goedkope piëzo-elektrische omzetter. Rond het jaar 2010 lukte het om gedurende een wandeling een vermogen van gemiddeld 2 mW per schoen te leveren, vergelijkbaar met de opslagcapaciteit van een lithium knoopcel. Maar een dergelijke knoopcel is na drie dagen leeg, terwijl de schoengenerator blijft stroom leveren zolang de gebruiker aan de wandel blijft.

Stroom uit je adem

Ook met onze ademhaling kun je elektriciteit opwekken. Daarvoor hoef je geen extra handelingen te verrichten. Het enige dat je nodig hebt, is een speciale riem waarin een piëzo-elektrisch element is verwerkt. ‘Tijdens de ademhaling, wanneer lucht in en uit onze longen stroomt, verandert de interne druk van ons lichaam, en dus groeit of slinkt de omvang van de buik,’ zo schrijven twee wetenschappers uit Australië en Teheran in een wetenschappelijk tijdschrift. ‘Wanneer iemand een broekriem draagt, ontstaat er als gevolg daarvan ook een toe- en afnemende druk op de riem.’ De piëzo-elektrische omvormer is 171 mm lang, 22 mm breed en 0,052 mm dik. Daarmee kan op basis van een ademhaling in rust een vermogen van 1,2 mW (milliwatt) worden opgewekt. Na een gematigde inspanning levert het systeem een vermogen van 2,3 mW. Deze laatste hoeveelheid is genoeg om een MP3 speler te laten werken.

Stroom uit je hart

Er zijn diverse manieren om uit het kloppen van ons hart elektriciteit te winnen, bruikbaar voor bijvoorbeeld de aansturing van een pacemaker. ‘Het hart lijkt een erg veelbelovende energiebron, omdat de samentrekkingen repeterend zijn en gedurende 24 uur per dag, 7 dagen per week aanwezig zijn,’ zegt Andreas Zurbuchen, onderzoeker bij de Universiteit van Bern. Hij gebruikt het mechanisme van een automatisch polshorloge als uitgangspunt voor de energiewinning. ‘Het automatisch horloge heeft een goede reputatie als betrouwbare technologie om uit beweging energie te verzamelen.’ Bij een automatisch horloge laten de polsbewegingen van de drager een gewichtje roteren waardoor een mechanische veer wordt opgewonden. De veer drijft op zijn beurt een elektrische microgenerator aan. De onderzoekers verwijderden – om gewicht uit te sparen – alle overtollige onderdelen uit een commercieel verkrijgbaar horloge. De techniek is inmiddels met succes bij tamme varkens toegepast.

Handschoenen vol energie

Wetenschappers van het Amerikaanse MIT en het Italiaanse Politecnico di Torino presenteerden eind 2015 de door hen ontworpen ‘slimme handschoenen’. In de vingers van de handschoenen zijn flexibele piëzo-elektrische omvormers aangebracht. De opgewekte elektrische stroom wordt draadloos overgedragen naar bijvoorbeeld een computer. De handschoen is vooral ontworpen voor industriële toepassingen, vooral om de communicatie tussen gebruiker en machine te vereenvoudigen. De handschoen is voorzien van verschillende sensoren waardoor machienes op afstand machines kunnen worden bediend; handig wanneer dat nodig is uit veiligheidsoogpunt.

Elektriciteit uit bloed

Onderzoek naar het opwekken van elektriciteit uit bloed dateert al uit de jaren zestig van de vorige eeuw. De ruimtevaartorganisatie NASA ging op zoek naar manieren om energie te winnen uit het menselijk lichaam: handig aan boord van ruimtevaartuigen. De eerste kandidaat was een brandstofcel: een apparaatje dat bijvoorbeeld waterstof laat reageren met zuurstof, waarbij een elektrische stroom ontstaat. Bij gebruik in het menselijk lichaam zou het om een door enzymen aangedreven brandstofcel moeten gaan, die als brandstof de glucose uit het bloed gebruikt.

In 2010 lukte het voor het eerst om met een brandstofcel elektriciteit op te wekken uit bloed, al was het niet bij een mens. Franse wetenschappers van de Université Joseph Fourier in Grenoble plaatsten bij twee ratten brandstofcellen van ongeveer 2,5 cm lengte in de onderbuik. Het maximum opgewekt vermogen bij één van de ratten bleek 6,5 mW. Klaar voor gebruik is de technologie nog niet. ‘Of de enzymen stabiel blijven gedurende een lange tijdsperiode is een aandachtspunt,’ aldus een artikel in MIT Technology Review. ‘En de efficiency van de overdracht van elektronen tussen enzymen en elektroden moet beter.’

Kauwend stroom opwekken

Loopt in de nabije toekomst iedereen kauwend rond, of dat nu op straat is, op het werk of in het café? Voor wie zelf elektriciteit wil opwekken, kan kauwen een aantrekkelijke optie zijn – volgens twee onderzoekers van In-EAR Technologies (CRITIAS) uit Montreal, Canada. De persoon in kwestie draagt dan een koptelefoon, oorwarmers of helm. De kinband bestaat deels uit een elastische band en deels uit een speciaal voor dit doel ontwikkeld piëzo-elektrisch vezel (PFC). Uit proefnemingen bleek dat proefpersonen met 60 seconden kauwgom kauwen een vermogen van 0,01 mW aan elektriciteit konden produceren. ‘Het vermogen dat we hebben opgewekt, is nauwelijks genoeg om een elektronisch apparaat te laten draaien,’ aldus onderzoeker Aidin Delnavaz. ‘Maar we kunnen de opbrengst vergroten door meer PFC lagen op de kinband aan te brengen. Twintig PFC lagen met een totale dikte van 6 mm zou een intelligente gehoorbeschermer van stroom moeten kunnen voorzien.’

Elektrische impulsen uit je oor

In het binnenste van onze oren is van nature een elektrisch vermogen aanwezig: het zogeheten Endococlear Potential (EP). Het vibreren van het trommelvlies brengt elektrische impulsen voort, wat ons een voltage van 80 tot 100 millivolt oplevert. ‘We weten al zestig jaar dat deze batterij bestaat, en dat hij erg belangrijk is voor normaal luisteren. Maar tot nog toe heeft niemand geprobeerd om het oor te gebruiken als stroomproducent voor nuttige elektronica,’ aldus oorarts Konstantina Stankovic. Vooral voor mensen met een gehoorapparaat kan het een aantrekkelijke optie zijn; een gehoorapparaat dat geen batterij meer nodig heeft, neemt veel minder ruimte in beslag. In 2012 lukte het onderzoekers van het Massachusetts Eye and Ear Infirmary (MEEI) om bij een Guinees biggetje elektriciteit af te tappen, door in het slakkenhuis elektroden en een elektronische chip te bevestigen. De chip wekte in ongeveer 5 uur een vermogen van iets meer dan 1 nanowatt op.

Stroom uit op- en neergaande beweging

Het lijkt zo’n handig en eenvoudig apparaatje: de Ampy. Een klein kastje, zo groot als een spel kaarten, dat je bijvoorbeeld aan je broekriem kunt bevestigen. In het kastje bevinden zich twee metalen stangen die op en neer kunnen bewegen binnen spoelen van elektrische draden. Volgens de producent zou de Ampy (“Your movement is your power”) na een half uur rennen of na een wandeling van 10.000 passen genoeg stroom opwekken om een smartphone drie uur aan de praat te houden.

De beloftes klinken goed, maar of de praktijk ook zo gunstig uitpakt is de vraag. In februari 2016 nam Sean Hollister de proef op de som. Een week lang liep de journalist van technologiewebsite CNET met de Ampy aan zijn broekriem. Hij telde totaal 77.853 passen tijdens zijn wandelingen. ‘Ampy beweert dat het apparaat in staat moet zijn om na elke 10.000 passen elektriciteit op te wekken voor drie uur telefoongebruik, maar mijn totale week aan inspanningen voegde een magere 2 procent stroom toe aan de accu van mijn iPhone 6S,’ aldus Hollister. Voor alle zekerheid herhaalde hij zijn experimenten met een ander exemplaar, maar dat haalde ook niets uit. Zijn conclusie: koop geen Ampy!