Eine Batterie, der nie die Energie ausgeht. Wie wird es angetrieben?

Menschen sind komplexe Maschinen mit beweglichen Teilen, die in vielerlei Hinsicht überraschen. Wissenschaftler sind der gleichen Meinung, dass das Potenzial des Menschen unendlich ist. Wissenschaftler und Technologieentwickler sind bereit, den menschlichen Körper als endlose Energiequelle zu nutzen. Im Erfolgsfall würde es das ewige Rätsel kleinerer tragbarer Geräte wie Smartwatches, Kopfhörer, medizinischer und ähnlicher Geräte lösen, denen oft zur falschen Zeit der Strom ausgeht.

Geräte mit einem gewissen Grad an Autonomie, einschließlich automatischer Batterieladung, sind die Zukunft. Die Frage ist nur: Woher soll die allgegenwärtige und „unendliche“ Energie kommen? Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass der menschliche Körper eine praktische Energiequelle sein kann. Die Erkenntnis kam zum richtigen Zeitpunkt, da der Markt für tragbare Geräte in den letzten Jahren explodiert ist.

Die sogenannten „Elektrozeutika“ stehen im Gegensatz zur klassischen Pharmazie und Medizin, da Experten vorhersagen, dass immer mehr Menschen zur Überwachung und Erhaltung ihrer Gesundheit auf tragbare Geräte wie implantierte Elektrostimulatoren, Herzschrittmacher, Blutdruck- und Herzfrequenzmessgeräte angewiesen sein werden.

„Biobatterien“ und der Prozess der Energiegewinnung aus externen Quellen könnten solche Geräte energieautonom machen und invasive Eingriffe zum Ersetzen leerer Batterien überflüssig machen. Gleichzeitig würden wir die Möglichkeit falsch implantierter Geräte, deren Infektion oder unerwünschter Folgebewegungen verringern.

Seit Beginn des zweiten Jahrtausends entwickelt der Beruf Geräte, die durch den menschlichen Körper angetrieben werden können. Größere Erfolge gab es bislang nicht. Die Technologie bzw. Geräte waren einfach zu verschwenderisch für die minimalen Mengen an Strom, die durch die natürlichen Prozesse des menschlichen Körpers gewonnen werden können. Nach zwei Jahrzehnten der Bemühungen gelang den Experten jedoch ein großer Sprung. Dank gilt auch den Entwicklern tragbarer Geräte, denen es in den letzten 10 Jahren gelungen ist, Geräte zu entwickeln, die extrem wenig Energie verbrauchen. Damit öffneten sie den Weg für Ideen und Prototypen, die die Kraft unseres Körpers nutzen können.

Ein Kraftwerk mit Zellenantrieb

Einfach ausgedrückt können Zellen biochemische Batterien sein, die süßen Kraftstoff in Energie umwandeln. Das deutsche Startup Celtro macht sich diese Energiequelle zunutze, indem es Mikronadelanordnungen verwendet, die kleine Mengen Energie aus Hunderttausenden Zellen extrahieren können. Das erste Produkt des deutschen Unternehmens wird ein kleiner autonomer Herzschrittmacher sein. „Muskelkontraktionen beginnen wie beim Herzen an einem Punkt und breiten sich dann im gesamten Herzmuskel aus“, sagt CEO und Mitbegründer Gerd Teepe. „Unsere Idee bestand darin, Energie an mehreren Punkten zu sammeln, um diese Wellenbewegung des Muskels zu nutzen.“ Zusätzlich zur Energiegewinnung werden die Mehrzweck-Mikronadeln in das Herzgewebe eingeführt, um das Herz zu überwachen und durch elektrische Stimulation bei der Wiederherstellung zu helfen Herzrhythmus, wenn es nötig ist. Im Jahr 2021 gelang es Celtro, genügend Mittel zu sammeln, um mit Laborstudien zu beginnen, um die Realisierbarkeit des Konzepts zu beweisen.

Brennstoffzellen aus Papier

Das französische Startup BeFC entwickelt Biobatterien mit grünen Referenzen. Das bedeutet, dass die Brennstoffzelle Schichten aus Kohlenstoff, Zellulose, Glukose und einigen proprietären Enzymen verwendet. Durch die Zugabe einer Flüssigkeit wie Blut oder Urin wird eine Reaktion ausgelöst, die Strom erzeugt. Ihr Produkt in Form von Papierpflastern könnte Einweg-Diagnosegeräte und Sensoren zur kontinuierlichen Überwachung von Erkrankungen betreiben, beispielsweise Zuckerüberwachungssets für Diabetiker. Nach dem Gebrauch können die Brennstoffzellen sogar kompostiert werden, im Gegensatz zu anderen Miniaturbatterien, die irgendwann auf der Mülldeponie landen. BeFC befindet sich derzeit in der Fundraising-Phase. Sie gehen davon aus, dass ihre Produkte im Jahr 2024 auf den Markt kommen werden.

Herzschrittmacher mit piezoelektrischem Energie-Harvester

CAIRDAC mit Sitz in Paris entwickelt einen Herzschrittmacher, der vom Herzen des Patienten angetrieben wird. Der wasserlose Herzschrittmacher ist in einer Kapsel verpackt, die einen piezoelektrischen Energieernter enthält – ein Pendel, das durch Herzschlag, Blutfluss und Vibration schwingt. Die Schwingungen werden in Elektrizität umgewandelt und gespeichert, bis das Gerät erkennt, dass das Herz einen Schock benötigt, um den Rhythmus neu einzustellen. Das Startup-Unternehmen hat kürzlich 17 Millionen Euro gesammelt, um die präklinischen Tests und den Übergang zu Versuchen am Menschen fortzusetzen.

Sensoren und Implantate mit Solarenergie versorgen?

Sonnenkollektoren haben sich in den letzten zwei Jahren auf vielen Haushaltsdächern ausgebreitet. Selbst in Slowenien gab es zeitweise eine lange Warteschlange für die Errichtung eines unabhängigen Solarkraftwerks. Forscher der Monash University in Melbourne haben herausgefunden, dass ein unter der Haut angebrachtes Solarpanel bei direkter Sonneneinstrahlung bis zu 10 % Solarpanelenergie erzeugen kann. Dies reicht aus, um Geräte mit extrem geringem Verbrauch zu versorgen. Ein paar Stunden Solarstrom würden für den 24-Stunden-Betrieb eines Temperatursensors, der in den menschlichen Körper implantiert werden kann, ausreichen. Laut Forschern liegt der optimale Ort für die Implantation eines Solarpanels zwischen Hals und Schulter.

Herz aus Wasserkraft

Miniturbinen könnten den Blutfluss nutzen und in Strom umwandeln, das hat zumindest die Universität Bern herausgefunden. Dort haben Forscher eine torpedoförmige Turbine entwickelt, die in ein Blutgefäß im Herzen implantiert werden könnte und so eine Möglichkeit zur Stromerzeugung durch Blutfluss schafft, ähnlich wie Wasserkraft funktioniert. Eine große Herausforderung, der sie sich aktiv stellen, besteht darin, die Bildung von Blutgerinnseln an den Turbinenschaufeln zu verhindern. In Labortests konnte ihre Turbine genug Energie erzeugen, um handelsübliche wasserlose Herzschrittmacher anzutreiben.

Piezoelektrischer Patch

Das italienische Startup PiezoSkin behauptet, ein ultradünnes piezoelektrisches Hautpflaster entwickelt zu haben, das gleichzeitig menschliche Bewegungen messen und daraus Energie gewinnen kann. In einer Studie wurde das Pflaster zur Überwachung der Nackenbewegung bei Menschen mit Dysphagie (Schluckbeschwerden) verwendet, es könnte aber auch zur Überwachung und Energiegewinnung durch andere Körperbewegungen und Vibrationen verwendet werden. Ähnlich wie die anderen Prototypen könnten die PiezoSkin-Pflaster genug Energie erzeugen, um kleinere Geräte mit Strom zu versorgen.

Wärmeversorgung?

Der menschliche Körper gibt durchschnittlich 100 Watt Wärmeenergie pro Tag ab, was laut dem Schweizer Unternehmen Mithras ausreichen könnte, um tragbare Biosensoren und Implantate anzutreiben. Ihre thermoelektrischen Netzteile, sogenannte TEGs, erzeugen Strom, indem sie den Temperaturunterschied zwischen Körper und Umgebung ausnutzen. Das Unternehmen schätzt, dass sein TEG-Hautpflaster mit einem Temperaturunterschied von 5 Grad Celsius ein Cochlea-Implantat vollständig mit Strom versorgen könnte.