Telefonieren, MP3-Musik hören, das Netz absurfen und Fotos schiessen – alles auf einmal, unterwegs, im Café und in den Ferien. Modernste Technik erlaubt uns, wie Nomaden durchs Leben zu schweifen – und doch nie den Anschluss an die Welt zu verlieren. Mit tragbaren Geräten behängt, sind wir unterwegs, mobil und grenzenlos frei.

Nur eine Komponente hemmt den Spass an Handy, iPod, Navi & Co.: der Akku. Viel zu schnell sind die Batterien ausgebrannt, müssen zurück an die Steckdose und fesseln den Besitzer an die Basisstation. Und da bessere Akkus noch immer auf sich warten lassen, wollen Ingenieure die Geräte mit Energie aus der Umgebung versorgen. In der Haustechnik funktioniert das bereits.

Energie aus dem Handgelenk

Micro Energy Harvesting nennt sich die Technik, mit der man Energie aus der Umwelt «erntet». Das Prinzip ist nicht neu. Schon Anfang des vergangenen Jahrhunderts baute man in Automatikuhren eine Schwungscheibe ein, die durch die Bewegung des Handgelenks eine Feder spannte, die das Uhrwerk am Laufen hielt. In den neunziger Jahren trieb Seiko eine Armbanduhr nur mit der Körperwärme ihres Trägers an. Etwa gleichzeitig begann die grosse Zeit der kleinen Solarmodule. Sie wandelten in Armbanduhren und Taschenrechnern Sonnenlicht in Energie um.

Die Leistung der Solarmodule reicht aber niemals aus, um heutige leistungsfähige Geräte zu betreiben oder Akkus zu laden. Noch nicht, denn die Hersteller arbeiten intensiv an der Harvesting-Technik. Allerdings sind die Energiemengen, die sich aus der Umgebung «ernten» lassen, nur klein. Für stromfressende Geräte mit grossem Bildschirm, Internetzugang und Ortungsfunktion müssen wohl mehrere Harvesting-Techniken kombiniert werden.

Solarzellen sind dabei immer noch die erste Wahl. Schon heute kann der Techniknomade mit einer Solartasche – etwa von Sakku oder Daochu – das Handy oder den MP3-Player mit Sonnenlicht aufladen. Speziell für die Integration in kleine, tragbare Elektronikgeräte wie Handys sind die hocheffizienten Solarmodule der holländischen Firma Intivation gedacht. Bei vollem Sonnenschein sammeln sie während zweier Stunden genügend Energie, um mit einem einfachen Handy bis 40 Minuten lang zu telefonieren und rund 40 Stunden auf Stand-by zu bleiben.

Die ersten Handys mit Intivation-Solarmodulen sind bereits in Entwicklungsländern auf dem Markt, wo Strom Mangelware und teuer ist. Die Sonnenenergie ermöglicht dort den Betrieb der Telefone fast vollständig. Bei uns verlängern die Solarzellen immerhin die Stand-by-Zeit leistungsfähiger Mobiltelefone. Grosse Handyfirmen haben ihre Solarmodelle bereits im Angebot: Ab Ende November ist das «Blue Earth» von Samsung im Schweizer Handel, die koreanische LG Electronics will bis Ende Jahr nachziehen.

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Kraftwerk im Schuh

Die Abhängigkeit vom Sonnenlicht setzt dem mobilen Leben Grenzen. Ist der Himmel wolkenverhangen oder steckt das Handy in der Hosentasche, wäre Leistung anderer Harvester nötig. Am weitesten erforscht ist heute der Gewinn mechanischer Energie. Sie entsteht durch Druck oder Vibration – und das Anzapfen funktioniert, wie das US-Verteidigungsministerium schon vor Jahren gezeigt hat: Um den Soldaten das Tragen schwerer Blei-Akkus für Kommunikationsgeräte zu ersparen, liess es Mikrogeneratoren in die Schuhsohlen einbauen. Zum Einsatz kamen sogenannte piezoelektrische Materialien, die Strom erzeugen, wenn Druck sie verformt.

Allerdings eignet sich der Schuhgenerator nur bedingt für Handy oder MP3-Player, denn das Kabel zwischen Generator und Gerät wäre unpraktisch. Eher sind Anwendungen direkt im Schuh denkbar: als Schrittzähler etwa oder als Satellitensender für die Ortung des kursierenden Nomaden.

Sinnvolle Harvester könnten Vibrationsgeneratoren werden. In diesen bewegt sich beim Gehen oder Joggen ein Magnet in einer Spule hin und her und erzeugt so einen elektrischen Strom. Forscher der ETH Zürich wiederum wollen piezoelektrische Materialien in T-Shirt oder Jacke einweben. Die Dehnung des Stoffes beim Tragen erzeugt dann kleine Mengen an Strom. Und an der Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung von Handy-Funktürmen, TV- und Radiosendern zu nutzen, tüfteln der Chipgigant Intel und Nokia. Nokia glaubt, dass diese «Energieernte» künftig ausreiche, um zusammen mit Solarzellen ein Mobiltelefon ständig auf Stand-by zu halten.

Technologie fürs Herz

Doch bis die «Erntetechnik» den mobilen Menschen endgültig von der Steckdose unabhängig macht, wird noch einige Zeit verstreichen. Die einzelnen Bauteile – Generator, Umwandler, Speicher, Funksender – müssen miniaturisiert werden. Auch der Stromverbrauch der Geräte muss noch optimiert – also stark reduziert – werden. Und zeitaufwendig wird auch die Testphase sein. Zuverlässigkeit und Langzeittauglichkeit sind von zentraler Bedeutung, sobald die Geräte zum Beispiel in der Medizin eingesetzt werden sollen. Herzschrittmacher laufen heute mit Batterie. Diese muss alle paar Jahre ausgewechselt werden. Stattdessen könnte sich das Gerät selbst versorgen, indem es Glukose aus dem Blut in Energie umwandelt. Dafür muss Gewähr bestehen, dass die lebenswichtige «Energieernte» auch nach Jahren noch zuverlässig funktioniert.

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Am weitesten fortgeschritten ist die Harvesting-Technik im Bereich der Sensoren zur Überwachung von Fertigungsprozessen oder Verkehrsströmen. Sich selbst versorgende Geräte erübrigen die teure Verlegung von Kabeln. Auch Batteriewechsel sind nicht nötig. Sensoren, die beispielsweise die Laufeigenschaften von Maschinen überwachen, beziehen ihren Strom durch die Vibrationen der Motoren. Im österreichischen Arlbergtunnel beobachten derzeit Harvesting-Sensoren die Tunnelmauer auf Risse. Genug Energie für die Datenübertragung zur Tunnelzentrale liefern die durchfahrenden Züge. Auch für den Ventilsensor, der ab 2012 in Neuwagen den Luftdruck der Autoreifen dem Bordsystem zusenden soll, reicht die Energie aus den Vibrationen der Reifen.

Ein reizvoller Aspekt der Harvesting-Technik liegt zudem darin, dass der Mensch nicht nur als Energieverbraucher auftritt, sondern selbst Lieferant von anzapfbarer Energie ist. Beim Einkaufen, Joggen, im Auto und auf dem Weg zur Arbeit leistet er (vielleicht schon in naher Zukunft) seinen Beitrag, Strom umweltfreundlich zu erzeugen. Zumindest wird das Potential des Strassen- und Fussgängerverkehrs als Stromlieferant derzeit intensiv getestet.

So betreibt die englische Supermarktkette Sainsbury’s in Gloucester ihre Kassen durch Strom, den die Kunden erzeugen, wenn sie in den Parkplatz eingelassene Planken überfahren. Die britische Architektur- und Designfirma «the facility» will Mikrogeneratoren an stark frequentierten Stellen in die Strasse einlassen und die Vibrationen in Strom für die Signal- und Strassenbeleuchtung umwandeln. Die 34 000 Pendler, die zur Stosszeit pro Tag die Londoner Victoria Station passieren, könnten theoretisch genug Strom erzeugen, um 6500 LED-Lampen zum Leuchten zu bringen.

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Licht aus dem Nichts

Auch wenn einige dieser Projekte noch wie Zukunftsmusik klingen, hat die «energieautarke Zukunft» in anderen Gebieten bereits Marktreife erlangt. So bietet die von Siemens gegründete Firma Enocean seit längerem (und bisher als einzige) Lichtschalter ohne Verkabelung an. Beim Druck auf die Taste bewegt sich eine kleine Spule durch ein Magnetfeld und erzeugt so genügend Energie, um per Funk die Lampe einzuschalten. Energieautarke Sensoren messen auch Luftfeuchtigkeit, Helligkeit oder Bewegung in Gebäuden. Ein Sensor an der Heizung regelt das Wärmeventil und reduziert selbständig die Leistung, wenn im Winter das Fenster geöffnet wird. Die Energie dafür bezieht der Sensor über den Temperaturunterschied zwischen Heizung und Raumtemperatur.

Weltweit hat Enocean Harvesting-Systeme bereits in 100'000 Häusern eingebaut – mit konkretem Nutzen der Kunden. Beim Neubau des IBM-Gebäudes in Zürich-Altstetten brachten die autarken Funkschalter nicht nur Kosten- und Zeitersparnis beim Einbau, die Schalter lassen sich auch einfach neu platzieren, wenn die Büroräume einmal anders eingeteilt werden sollten.

Die Allgemeine Gewerbeschule Basel wiederum liess Heizungsregler, Beleuchtung und Beschattung mit Enocean-Schaltern nachrüsten – um den Energieverbrauch zu reduzieren. Auf rund 15 Prozent schätzt man den Spareffekt. Was zeigt, dass Energy Harvesting nicht nur einen mobilen Lebensstil ermöglicht, sondern auch einen ökologischen Nutzen bringt.