Könnten wir bald unsere elektronischen Geräte mit tragbaren Energieerzeugern betreiben?

Elektronische Geräte flexibel machen

Mit Smartphones sind wir es gewohnt, Elektronik ständig bei uns zu tragen. Das geschieht jedoch immer noch mit einem sperrigen Block aus Metall und Kunststoff, der, wenn überhaupt, jedes Jahr größer und schwerer wird.

Der nächste Schritt wäre, elektronische Geräte nahtloser in unsere Kleidung zu integrieren. Das hat bereits mit tragbarer Elektronik wie Smartwatches und anderen gesundheitsorientierten Wearables begonnen.

Ein weiterer Schritt wäre, Elektronik direkt in unsere Kleidung zu integrieren. Dafür müsste sie jedoch sehr flexibel und leicht sein. In dieser Richtung wurden bereits solide Fortschritte erzielt:

• Biegbare Bildschirme werden jetzt routinemäßig von Samsung und Huawei in High-End-Smartphones integriert.
• Biegbare und dehnbare Batterien aus Polymeren werden entwickelt.
• Auch Mikroprozessoren können gebogen werden.

Wenn also Bildschirme, Batterien und sogar Prozessoren jetzt flexibel und biegsam sind, was hindert uns dann noch daran, Wearables in unsere Kleidung zu integrieren? Die Stromversorgung bleibt ein ernsthaftes Hindernis.

Doch das könnte sich ändern, dank einer Entdeckung koreanischer Forscher am Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), der Hannam University, der Yonsei University, dem Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), dem Korea Institute of Industrial Technology (KITECH) und der Jeonbuk National University.

Sie entwickelten einen tragbaren Energieerzeuger, der 280‑mal effizienter ist als herkömmliche Geräte, indem sie eine neue Art von piezoelektrischem Energieerzeuger nutzten.

Es wurde in ACS Nano veröffentlicht, unter dem Titel „Curvature-Specific Coupling Electrode Design for a Stretchable Three-Dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator¹“.

Triboelectric- und Piezoelektrische Geräte

Energieerzeuger sind Systeme, die Energie aus Bewegungen erzeugen. Es gibt hauptsächlich zwei Typen, je nachdem, ob sie auf dem triboelektrischen Effekt oder dem piezoelektrischen Effekt basieren.

Triboelectric-Generatoren sind das, was allgemein als elektrostatisch bezeichnet wird, also das, was passiert, wenn zwei Objekte aneinander reiben oder aneinander gleiten. Dies kann etwas Strom erzeugen, ist jedoch oft zu schwach, um Elektronik zu betreiben.

Piezoelektrisch ist der Effekt, bei dem durch mechanische Belastung wie Biegen, Drücken usw. Strom erzeugt wird. Bisher wurden die meisten piezoelektrischen Energieerzeuger aus organischen oder Verbundwerkstoffen hergestellt, die eine geringe Energieeffizienz aufweisen.

Das Team von Prof. Jang verwendete ein anderes Material: Bleizirkonat‑Titanat (PZT).

Quelle: DGIST

PZT-Piezoelektrischer Generator

PZT ist seit langem für seine hervorragende piezoelektrische Leistung bekannt, ist jedoch hart und spröde. Daher war die Verwendung in dehnbaren Geräten und das Verlassen auf Bewegung zur Stromerzeugung unwahrscheinlich, um einen langlebigen Generator für Wearables zu schaffen.

Die Forscher untersuchten daher, wie man eine PZT-basierte 3D‑Struktur entwerfen kann, die gegenüber Verformungen unempfindlich ist und Dehnbarkeit garantiert, während die piezoelektrische Fähigkeit erhalten bleibt.

Der erste Schritt bestand darin, eine gekrümmte Elektrode mit einer konvexen Form zu erstellen, die beim Dehnen Strom erzeugt.

Quelle: ACS Nano

Anschließend fügten sie Stränge dieser Elektroden miteinander zusammen, ähnlich dem Geflecht eines Stoffes oder eines Weidenkorbs.

Quelle: ACS Nano

Probleme beseitigen

Da die Elektroden verflochten sind, könnten sie sich leicht gegenseitig aufheben. Um dies zu vermeiden, wurden die Elektroden je nach Richtung der induzierten Ausgangsspannung in konvexe und konkave Bereiche unterteilt.

Der Strom kann durch jede Körperbewegung erzeugt werden, wie die Forscher an Knie, Hand oder sogar Fingern getestet haben.

Quelle: ACS Nano

Damit entstand ein sehr effizienter piezoelektrischer Generator, der sowohl extreme Dehnbarkeit als auch die höchste Stromdichte für jedes Gerät dieser Art aufweist.

Quelle: ACS Nano

„Die Entwicklung dieser hocheffizienten dehnbaren piezoelektrischen Energieerzeugertechnologie ist ein bedeutender Erfolg dieser Forschung. Wir erwarten, dass diese Technologie nach der Kommerzialisierung nützlich wird und zur praktischen Nutzung tragbarer Energieerzeuger führt.“

Prof. Kyung‑In Jang – DGIST Department of Robotics and Mechatronics Engineering

Anwendungen

Tragbare Geräte

Die direkteste Anwendung wäre, Elektronik, die in Kleidung integriert ist, beim Bewegen zu betreiben, zum Beispiel beim Gehen.

Dies könnte für tragbare Geräte nützlich sein, insbesondere für Gesundheitsüberwachungsgeräte, die dann nicht mehr auf reguläres Aufladen von Batterien angewiesen wären.

Medizinische Implantate

Eine bestimmte Art von Implantat könnte stark von diesem Generator profitieren: Herzimplantate.

Das Herz bewegt und kontrahiert sich ständig, was eine stabile Energiequelle für solche medizinischen Implantate bieten kann.

Die Forscher testeten das Konzept, indem sie den Generator in einem Polyimidfilm einkapselten. Dies war erforderlich, um das PZT effektiv von Bioflüssigkeiten und Geweben zu isolieren, da PZT toxisch sein kann.

Quelle: ACS Nano

Militär

Eine weitere Anwendung könnte im Militär liegen, wo die Infanterie zunehmend von energieintensiven Sensoren, Kommunikation, elektronischer Kriegsführung usw. abhängig ist.

Es ist kaum praktikabel, von Kampfeinheiten zu erwarten, dass sie ein Gewirr aus Kabeln und Batterien navigieren. Gleichzeitig müssen sie bereits ihre Waffen, Munition, Telekommunikationslösungen usw. handhaben. Ein piezoelektrischer Generator, der direkt an flexiblen Elektronikkomponenten in der Uniform der Soldaten angeschlossen ist, könnte eine gute Alternative sein.

In Wearables investieren

Die Technologie für Wearables wird voraussichtlich bis 2030 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 14,6 % CAGR, von 61,2 Mrd. $ im Jahr 2022 wachsen.

Quelle: Grand View Research

Sie können in Unternehmen im Bereich Wearables über zahlreiche Broker investieren, und Sie finden hier auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie in vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in ETFs wie den iShares U.S. Medical Devices ETF (IHI) oder den SPDR S&P Health Care Equipment ETF (XHE) investieren, die eine diversifiziertere Exposition bieten, um vom wachsenden Wearable- und Medizingeräte‑Markt zu profitieren.

Sie können auch unseren Artikel „Top 6 Medical Devices Stocks“ konsultieren.

Wearables-Unternehmen

Wearables bauen

Eine Möglichkeit, flexible Elektronik zu bauen, besteht in der Verwendung von Polymeren. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung eines sehr flexiblen und ungiftigen Metalls, Gallium, das wir in einem speziellen Investment‑Report besprochen haben.

Solarenergie könnte neben dem piezoelektrischen Effekt auch flexible Wearables aufladen. Dies könnte entweder durch die Verwendung von perowskit-Solarzellen oder ultradünner organischer Photovoltaik-Technologie erreicht werden.

Philips ist eine bekannte Consumer‑Elektronikmarke (Rasierer, elektrische Zahnbürsten) und zugleich im Gesundheitswesen aktiv. Es war 2022 das Unternehmen mit den meisten MedTech‑Patentanmeldungen in Europa.

Es ist im Bereich vernetzter Medizinprodukte tätig, von Wearables über Bildgebung, Beatmungsgeräte bis hin zu medizinischen Robotern. Das Unternehmen ist zudem im Halbleiterbereich (einschließlich Magnetschwebetechnologie) und in High‑Tech/Robotik/Automatisierung aktiv.

Quelle: Philips

Die Wearables von Philips decken kardiale, respiratorische und Aktivitätsmetriken ab. Seine Sensoren können in Smartwatches, Gesundheitsmonitoren, medizinischen Pflastern und Aktivitätstrackern integriert werden.

Bezüglich Wearables bevorzugt Philips eine Partnerschaftslösung, bei der es für Dritte „ihre“ vernetzten IoT‑Medizingeräte entwickelt, die vollständig mit den übrigen Philips‑Lösungen kompatibel sind. In diesem Kontext bietet es seinen Kunden Prototyping, regulatorische Beratung, End‑to‑End‑Produktentwicklung und Produktion im industriellen Maßstab.

Damit ist Philips ein technologieorientiertes Unternehmen und ein wahrscheinlicher Kandidat, Innovationen wie flexible piezoelektrische Generatoren schnell in bestehende Medizinprodukte zu integrieren.

Im Jahr 2023 beeinflussten Philips‑Geräte direkt 1,82 Milliarden Menschen.

Das Unternehmen will ein vollständig integriertes digitales Gesundheitsumfeld schaffen, in dem Sensoren zu Geräten passen, und mehrere Konnektivitätslösungen nutzen, um sich in die Philips HealthSuite‑Cloud‑Lösung zu integrieren und tiefgehende Datenanalysen zu ermöglichen.

Quelle: Philips

Als MedTech‑Lieferant ist Philips nicht so sichtbar im Sektor wie andere, bekanntere Unternehmen. Dennoch ist es ein Experte im Bau von Hochleistungs‑Elektronikgeräten und Sensoren und erweitert häufig die Grenzen des Möglichen in seinem Gesundheits‑ und Wearable‑Nischenmarkt.

Da Wearables zunehmend in das Gesundheitswesen und medizinische Protokolle integriert werden, wird der Healthcare‑Bereich von Philips voraussichtlich als Teil des Konglomerats wachsen.

Studienreferenz:

^{1. Yea, J., Ha, J., Lim, K. S., Lee, H., Oh, S., Jekal, J., Yu, T. S., Jung, H. H., Park, J.-U., Lee, T., Jeong, J.-W., Kim, H. J., Keum, H., Lee, Y. K., & Jang, K.-I. (2024). Krümmungsspezifisches Kopplungs‑Elektroden‑Design für einen dehnbaren dreidimensionalen anorganischen piezoelektrischen Nanogenerator. ACS Nano, 18(50), 34096–34106. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09933}