Nu høster vi energi af bevægelse
Illustreret Videnskab 25. september 2008
Når vi går. Når vi dyrker motion. Og når hjertet slår. Vores egen krop producerer hele tiden masser af energi, som i dag blot forsvinder igen i den blå luft. En række nye teknologier gør det nu muligt at udnytte denne oversete energikilde til fx at oplade en mobiltelefon.

Af Rasmus Kragh Jakobsen

Nu er det snart slut med at løbe tør for batteri lige midt i en telefonsamtale. Inden længe skal man bare tage et par skridt eller baske lidt med armene for at få liv i mobiltelefonen igen. Forskere verden over har nemlig for alvor fået øjnene op for en rig og uudnyttet energikilde: Menneskekroppen.
Vores krop gemmer enorme mængder energi – en gennemsnitsvoksen har energi i sine fedtdepoter svarende til energien i et batteri på 1 ton – og hver eneste dag efterlader vores aktiviteter store mængder energi, der blot forsvinder ud i den blå luft til ingen verdens nytte. Se fx på et fitnesscenter, hvor ivrigt pumpende motionister tapper musklerne for energi og omsætter overf lødige kalorier til løft af vægte, der akkurat ligeså godt kunne drive en generator og producere strøm. Vi kender princippet fra cykeldynamoen, som tapper lidt menneskeenergi og laver strøm til lygterne eller fra håndsvingsdrevne radioer, computere, lommelygter og mobiltelefoner, som kan lades op med en kortvarig muskelindsats.
Men forskerne er langt mere ambitiøse og er i fuld gang med at udvikle menneskehøstere, der kan tappe energi, uden at vi overhovedet bemærker det. Alle kroppens bevægelser – fra dans på diskoteksgulvet over tryk på computertastaturet til de små bevægelser i vores indre som fx det pumpende hjerte – er forskerne i fuld gang med at omsætte til elektricitet. En konstant og gratis energikilde, der kan drive mobiltelefoner, MP3- afspillere, navigationsudstyr og fremtidens medicinske nanomaskiner, som løbende vil måle, analysere og overvåge vores helbredstilstand – fx blodsukkeret, hvis man er diabetiker – og automatisk aktivere medicinpumper efter behov.
Menneskeenergi er virkelig et boomende forskningsfelt, idéerne vælter frem og nu også de første gennembrud. I februar 2008 viste Max Donelan fra Simon Fraser University i Canada sammen med amerikanske og canadiske kolleger for første gang, at det er muligt at høste store mængder energi fra menneskers gang næsten gratis. Forskerne har udviklet en prototype af et avanceret knæbind, der kan høste så meget elektricitet fra hvert skridt, at et minuts gang giver strøm nok til at snakke i en mobiltelefon i en halv time.

Nem strømkilde i ødemarken
Hvis man kan lave sin egen strøm blot ved at gå, åbner der sig nye muligheder, ikke mindst i øde egne, hvor elektricitet er stærkt efterspurgt af fx videnskabsfolk, der studerer insekter i Afrikas regnskove, eller bjergbestigere, som typisk har brug for et alternativ til tunge batterier og solfangere, der er afhængige af vejret.
Desuden peger forskerne på en lang række potentielle anvendelser, fx kan princippet udnyttes til at skabe strøm til kommunikation hos den fjerdedel af klodens befolkning, der i dag lever uden adgangtil strøm. I vores del af verden siger Donelan, at folk med proteser kan være nogle af de første, som kan få glæde afopfindelsen. De nyeste kunstige knæ og ankler har indbyggede motorer, der hjælper til med at gå, men det er problematisk, at batterierne er store, tunge og ofte skal lades op. Tilsvarende vil proteser som kunstige hænder med robotfingre også kunne nyde godt af at høste strømmen direkte fra kroppens bevægelser. På længere sigt forestiller Donelan sig endda, at man kan indoperere energihøstere langs muskler og dermed skabe en permanent energiforsyning til medicinpumper og nervestimulatorer, der i dag lider af den store ulempe, at man er nødt til at operere patienten for at udskifte apparatets batteri. Fremtiden vil formentlig åbenbare endnu f lere muligheder.
Det mest imponerende ved “knægeneratoren” er, at den bygger på en dyb indsigt i den måde, vi går på. I princippet kunne en generator skabe strøm hele tiden, mens benet bøjes og strækkes, men Donelans knæbind er computerstyret, så generatoren kun aktiveres og høster energi, når underbenet sparker fremad svarende til de sidste 20 pct. af en skridtcyklus. Dermed hjælper generatoren med at bremse benets bevægelse før det næste skridt, og det er minimalt, hvad man skal yde af aktivt muskelarbejde for at producere strøm i forhold til, hvis generatoren var aktiveret hele tiden.
I Donelans knæbind måler computeren knæets hastighed og vinkel tusind gange hvert sekund og beregner derudfra,hvornår den skal slå til og fra. I løbet af et almindeligt skridt bruger vi musklerne aktivt både til at accelerere benet frem i svinget og til at bremse benet ned igen, så det ikke sparker op i luften. Fordi generatoren kun slår til, når musklerne alligevel skal bremse benet, bliver belastningen af musklerne ret ubetydelig, og det koster under én Watt muskelkraft for hver Watt strøm, knæbindet producerer. Størstedelen af belastningen skyldes den ekstra vægt på 1,6 kg fra knæbindene, hvilket må forventes at blive reduceret, når prototypen videreudvikles. Det er Donelan i færd med i sit firma Bionic Power, som han har skabt for at lave knæbindet til et kommercielt produkt. Blandt andet skal generatoren forsynes med et lettere gear, og selve rammen skal fremstilles af letvægtsmaterialer som fx kulstof.
I gennemsnit skaber en person med et knæbind på begge ben fem Watt elektricitet ved langsom gang – nok til at drive 10 almindelige mobiltelefoner samtidig. Har man brug for mere energi end det,kan løsningen være den rygsæk, som fire opfindsomme amerikanske forskere fra University of Pennsylvania offentliggjorde i 2005. Rygsækken, der er hæftet med fjedre til en metalramme, følger kroppen op og ned for hvert skridt, man tager, og omdanner bevægelsen til elektricitet.
Effekten er ganske høj, syv Watt pr. skridt ved almindelig gang, men designet har til gengæld det problem, at rygsækken skal være ret tung – jo tungere desto mere strøm – og vejer mellem 20 og 38 kg. Det sidste er nogenlunde vægten af en soldats udrustning, som ikke ligefrem kan siges at være handy. Hvor knægeneratoren giver én Watt strøm for hver 0,7 Watt muskelkraft, høster man blot én Watt strøm for hver fem Watt muskelenergi med rygsækken. Det er dog stadig godt i forhold til hånddrevne radioer og lommelygter, der typisk koster otte Watt muskelkraft pr. Watt elektricitet.

Nanogenerator består af to tråde
Det smarte ved knægeneratoren er, at den høster overskudsenergi fra vores gang, stort set uden at vi lægger mærke til det. Men strøm kan faktisk høstes endnu mere umærkeligt. Blot en uge efter at Donelans knæbind blev offentliggjort, skabte professor Zhong Lin Wang og to kolleger fra Georgia Institute of Technology i USA dønninger i hele forskningsverdenen. Med usynlige nanofibre, der ligner små bøjelige flaskerensere, har forskerne opfundet en generator i nanostørrelse, der kan lave elektricitet blot ved at gnide to fibre mod hinanden. Opfindelsen er et kæmpe gennembrud for nanoteknologien, der hidtil har manglet en tilstrækkelig lille strømkilde.
Wangs nanofibre er så små, at de kan høste energi fra helt umærkelige bevægelser, som der er næsten uendelig mange af i vores hverdag. Ydermere kan fibrene samles i bundter til lange tråde, der kan væves til klædestof og skabe fremtidens energitøj, som høster energi fra kroppens små rystelser, når vi bevæger os. Wang beskriver de små nanofibre som en bøjelig og foldelig energikilde, man kan tage på som ethvert andet stykke tøj. Han er overbevist om, at vi fremover vil høste elektricitet fra gardiners, teltes og skjorters stille blafren i vinden, ligesom vibrationer fra trafik, maskiner og lydtryk kan høstes. Vi vil endda kunne indoperere nanofibrene og høste elektricitet direkte fra blodårernes udvidelse og sammentrækning og dermed levere permanent strøm til medicinske apparater som pacemakere og insulinpumper.
Wangs banebrydende nanogeneratorer bygger på den såkaldte piezoelektriske effekt, hvor visse materialer skaber en elektrisk spænding, når de trykkes eller bøjes. Det typiske eksempel er elektriske lightere, hvor en hammer får en gnist til at springe ved at slå på en piezoelektrisk krystal. I 2007 udviklede Wang sin første nanogenerator bestående af to plader med piezoelektriske nanotråde imellem. Trådene var krystaller af zinkoxid (ZnO), der har en enestående kombination af at være piezoelektriske og halvledende på samme tid, så når man trykker dem sammen, skaber de elektricitet.
Nu er det så lykkedes Wang at videreudvikle princippet til en bøjelig nanogenerator ved at dyrke zinkoxidkrystallerne på en kevlarfiber, hvor de sidder som tusindvis af små hår. Forskerne har fremstillet 200 af de nye nanofibre og snoet dem sammen parvis med den ene spændt fast til en lille fjeder, så fibrene kan gnubbes mod hinanden. På prototyper med to kevlarfibre på hver én centimeter har Wang indtil videre målt en effekt på 16 pW (picowatt). Det er næsten ingenting, men til gengæld er der masser af plads i nanoskalaen, så man kan have rigtig mange generatorer på næsten ingen plads. Wang har påvist, at når f lere fiberpar snoes til en tråd, øges effekten 30-50 gange, formentlig fordi f lere børster gnubber imod hinanden.

Tøj laver strøm til mobiltelefonen
Forskerne har beregnet, at klædestof lavet af nanogeneratorfibre vil kunne skabe op til 80 mW (milliwatt) effekt pr. kvadratmeter, hvilket er tæt på behovet fra mobiltelefoner og anden elektronik, vi typisk bærer på os. Wang pointerer dog, at der går mindst fem år endnu, inden vi ser strømproducerende tøj, og at der stadig er udfordringer. Men indtil videre ser teknologien lovende ud.
Stoffet vil være billigt at producere, og processen kan nemt skaleres op til industriel skala. Da den foregår ved 80 °C, er det muligt at bruge alle slags fibre, fx bomuld eller uld. Desuden har forskerne påvist, at trådene er meget robuste og kan tåle at bøjes og gnubbes imod hinanden i lang tid, uden at de små krystaller knækker af eller mister effektivitet. Detstørste problem er, at nanogeneratoren ikke tåler vand, men det mener Wang kan løses ved at sy tøjet i f lere lag med energistoffet i midten, så man kan vaske det inderste og yderste lag for sig.
Næste mål er at optimere designet, så effekten bliver endnu større, og tænker man tilbage på de første store klodsede mobiltelefoner, er det ikke svært at forestille sig, at forskerne snart kan vriste meget mere strøm ud af nanogeneratorerne. I det hele taget går udviklingen indenfor elektronikken mod mindre energikrævende apparater og bedre batterier, så dag for dag bliver spændet mellem, hvad der kan høstes, og hvor meget energi der kræves, mindre.
Menneskekroppe er fulde af aktivitet hver dag. Vi går, danser eller dyrker sport – en enorm energi, som ikke bliver udnyttet. Hvis vi kan omsætte blot en lille del af de bevægelser til elektricitet, har vi taget hul på en helt ny energikilde.

Copyright © Rasmus Kragh Jakobsen og Illustreret Videnskab.