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Beim Gehen Strom fürs Handy produzieren

Fast mühelos kann ein Fussgänger Energie generieren – vorausgesetzt er schnallt sich eine neue Erfindung ans Knie.

Der Generator am linken Knie des Läufers wiegt 1,5 Kilogramm und kann leicht 13 Watt generieren.

Von Barbara Vonarburg

Besonders elegant wirkt der Gang der Testperson nicht, die im Video auf dem Laufband spaziert. Doch der klobige Apparat, den der junge Mann an seinem Bein mitträgt, hat es in sich: Ein Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrischen Strom um. Rund fünf Watt beträgt die Leistung. Die so produzierte Elektrizität würde für den gleichzeitigen Betrieb von zehn Handys reichen oder für zwei Computer, berichtet die renommierte US-amerikanische Fachzeitschrift «Science» in ihrer heutigen Ausgabe (Bd. 319, S. 807). Erstaunlich ist dabei, dass sich die Testperson nicht besonders anstrengen muss.

«Muskeln beschleunigen und bremsen den Körper ständig bei jedem Schritt», erklärt Max Donelan, der das Gerät zusammen mit Kollegen erfunden hat. Das sei wie «Stop-and-go-Fahren». Hybridautos nutzen dies, indem sie die Bremsenergie zurückgewinnen und damit einen Generator antreiben. «Wir haben dasselbe Prinzip beim Gehen angewandt», sagt Donelan. «Unser Gerät unterstützt die Muskeln beim Abbremsen des Körpers und produziert gleichzeitig Elektrizität.»

Rasch an das Gerät gewöhnt

Donelan, der an der Simon Fraser University im kanadischen Burnaby arbeitet, hat den Apparat selbst ausprobiert. Natürlich spüre man das zusätzliche Gewicht. Rund 1,5 Kilogramm schwer ist das Gerät. Doch man lerne schnell, dass es beim Verlangsamen des Beins im richtigen Moment mithelfe. Ein Sensor und ein Kontrollsystem sorgen dafür, dass der Generator jeweils angeschaltet wird, kurz bevor der Fuss den Boden berührt. Dies merke man aber kaum, bis der Generator ganz ausgeschaltet werde, erklärt Donelan. «Dann vermisst man ihn.» Das Bein schwinge während ein paar Schritten heftiger, bis man die Aktivität der Muskeln, die das Bein normalerweise abbremsen, wieder steigere.

«Menschen sind eine ausgezeichnete Energiequelle», sagt der Forscher. «Eine Person durchschnittlicher Grösse speichert so viel Energie in Fett wie eine 1000 Kilogramm schwere Batterie.» Mit Nahrung laden wir unsere Körperbatterien wieder auf. «Und glücklicherweise steckt in einem 35-Gramm-Müsliriegel so viel nützliche Energie wie in einer 3,5 Kilogramm schweren Lithium-Ionen-Batterie.»

Mit Hilfe der Muskeln kann die gespeicherte, chemische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Dabei lässt sich über längere Zeit eine Leistung von 100 Watt aufrechterhalten. Es gibt denn auch bereits Geräte, bei denen man mit einer Handkurbel Strom für eine Taschenlampe oder ein Radio erzeugen kann, doch das Kurbeln strengt an.

Für eine konstantere Energieproduktion wollte Donelan eine alltägliche Bewegung nutzen. Auch das ist nicht neu. Seit fast einem Jahrhundert funktionieren mechanische Armbanduhren mit automatischem Aufzug auf Grund der Tatsache, dass wir häufig unsere Arme bewegen. Über einen Schwungrotor, den die Handbewegung antreibt, wird die Zugfeder gespannt, die Uhr läuft. Automatiksysteme für Uhren haben aber nur eine geringe Leistung von weniger als einem Milliwatt. Und weil inzwischen kleine Batterien entwickelt wurden, die jahrelang funktionieren, sind Automatikuhren viel seltener geworden.

Bisher versuchten Forscher vor allem, mit speziellen Schuhkonstruktionen beim Gehen Energie zu gewinnen, zum Beispiel durch das Ausnützen der Kompression der Sohlen bei jedem Schritt. Mehr als 0,8 Watt schaute dabei aber nicht heraus. Und die Wissenschaftler stiessen nach den Terroranschlägen 2001 auf zusätzliche Schwierigkeiten: Die Träger des speziellen Schuhwerks sahen wie potenzielle Schuhbomber aus. An eine Vermarktung der Idee war deshalb nicht zu denken.

2005 veröffentlichte ein US-amerikanisches Forscherteam ebenfalls in «Science» das Design eines Rucksacks, der Strom erzeugen kann (Bd. 309, S. 1725). Das Gerät nutzt die Tatsache, dass die Hüften beim Gehen regelmässig ein paar Zentimeter auf und ab pendeln. Diese Bewegung bringt im Rucksack Federn zum Schwingen, an denen die Last befestigt ist. Damit lässt sich ein Generator antreiben, der eine elektrische Leistung von bis zu 7,4 Watt liefert. Der Nachteil: Der Rucksack ist 38 Kilogramm schwer.

Der Kniegenerator kann gleich viel oder mehr Leistung erzeugen, wenn man sich etwas anstrengt. Hatte der Testläufer im kanadischen Uni-Labor ein Tempo von 2 Metern pro Sekunde, konnte er 13 Watt ernten. So lasse sich mit nur einer Minute Gehen genug Strom für ein halbstündiges Telefongespräch mit einem normalen Handy erzeugen, hat Donelan ausgerechnet.

Für Militär und Medizin

Erwartet er nun, dass bald jedermann mit einem Kniegenerator herumläuft? «Das wäre ziemlich cool, aber kurzfristig sehr unwahrscheinlich», lacht der Forscher. Es sei für die Leute wohl nicht praktisch genug, ihr Handy oder ihren iPod so aufzuladen. Er sieht aber durchaus Anwendungsmöglichkeiten für die Erfindung und hat vor einem Jahr bereits eine Start-up-Firma gegründet, deren wissenschaftlicher Direktor er ist.

Erste Anwendungen erwartet Donelan im Militär. Tragbare Elektrizität ermögliche einem Soldaten die Kommunikation, die Navigation und eine sichere Heimkehr. Aber auch in der Medizin möchte der Forscher den Generator einsetzen. Patienten, denen Arme oder Hände amputiert werden mussten, könnten mit dem Gerät Roboterarme steuern.

Vielleicht diene einst selbst produzierter Strom aber auch dazu, in entlegenen Gebieten Computer zu betreiben, hofft Donelan. «In den Entwicklungsländern leben eine halbe Milliarde Kinder ohne einfachen Zugang zu Elektrizität.» Und die neue Technik soll gar der Umwelt zugute kommen, indem mehr Einwegbatterien durch wiederaufladbare ersetzt werden. Weil damit ein Aufladen auch unterwegs überall möglich sei, meint Donelan.