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Woven and 3D-Printed Thermoelectric Textiles

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Leitfähiges Gewebe nutzt Körperwärme für die Energieversorgung tragbarer Computer

Dank neuartiger mit der Wärme des Körpers betriebener Elektronik aus Kunststoff könnte intelligente Kleidung Realität werden.

Industrielle Technologien

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Ihren Fitnesstracker gegen ein Sweatshirt eintauschen, das Ihre Herzfrequenz überwacht und die Intensität Ihres Trainings erfasst. Das Problem dabei ist natürlich, dass Sportkleidung nach dem Gebrauch gewaschen werden muss – und Elektronik und Wasser vertragen sich bekanntermaßen nicht besonders gut. Ziel des EU-finanzierten Projekts ThermoTex war die Lösung dieses Problems. Das Team untersuchte dazu das Potenzial kunststoffbasierter, tragbarer Elektronik, die ohne Batterien betrieben werden kann und stattdessen die Energie der Körperwärme nutzt.

Raumsonden

Thermoelektrische Generatoren nutzen Temperaturgefälle einer Oberfläche zur Erzeugung von Strom. Dabei kommen mitunter radioaktive Stoffe als Wärmequelle zum Einsatz. „Sie kommen meist dann zum Einsatz, wenn Geld keine Rolle spielt“, sagt Christian Müller, Projektkoordinator von ThermoTex. „Thermoelektrische Geräte werden zur Energieversorgung von Raumsonden und Leuchttürmen in der Arktis verwendet. Vorhandene thermoelektrische Technologien beruhen auf empfindlichen und giftigen Metalllegierungen, die nicht zur Verwendung in Textilien geeignet sind. Müller und sein Team an der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden arbeiteten an leitfähigen Kunststoffen, um tragbare Elektronik zu entwickeln. „Diese sind zwar weniger effizient als Metalllegierungen, jedoch extrem günstig in der Verarbeitung und Herstellung. Damit haben wir auf der Kostenseite viel erreicht“, erklärt er.

Temperaturgradient

Die Effizienz thermoelektrischer Geräte hängt jedoch von der Größe des Temperaturgefälles ab. „Die letztlich nutzbare Strommenge, von der wir hier sprechen, ist nicht groß“, fügt Müller an. „Wir möchten diese Technologie entwickeln, um kleine tragbare Geräte und Sensoren für das Internet der Dinge mit Strom zu versorgen.“ Dazu verarbeitete das Team die leitfähigen Kunststoffe zu Fasern oder Garnen und letztlich zu Textilien, die wie ein Stromkreis angeordnet werden können. Ihr Konzeptnachweis erzeugt nur etwa ein Mikrowatt Strom – viel weniger als eine Photovoltaikzelle in einem solarbetriebenen Taschenrechner. Trotzdem kann dies nützlich sein, wie Müller erklärt: „Mir schwebt ein selektiver Sensor vor, kein kontinuierlicher, der Energie in einem Kondensator speichert und intermittierend Daten überträgt.“ Müllers thermoelektrische Garne können mindestens 15 Mal gewaschen werden – weitaus häufiger als handelsübliches silberplattiertes Garn. Selbst silberbasierte Garne können waschbar gemacht werden, wie Gastforscher Byungil Hwang von der Chung-Ang-Universität in Südkorea demonstrierte. Diese Art der Zusammenarbeit, so Müller, macht den Wert der EU-Finanzierung besonders deutlich.

Fortschritte auf dem Gebiet

„Der Nutzen der EU-Fördermittel ging über die reine Finanzierung hinaus“, merkt er an. „Die Finanzierung durch den Europäischen Forschungsrat verlieh uns ein angesehenes Gütesiegel. Deshalb wollten andere Gruppen mit uns zusammenarbeiten und wurden angeregt, selbst auch zu forschen.“ Diese Aktivitäten führten laut Müller in den letzten fünf Jahren zu Fortschritten auf dem Gebiet der tragbaren thermoelektrischen Geräte: „Viele andere Gruppen griffen die Idee auf. Es ist wichtig, dass wir nicht allein in einem Vakuum arbeiten, sondern in einem ganzen Fachgebiet.“ Als Ergebnis des ThermoTex-Projekts hat das Team 29 Artikel eingereicht und zehn weitere sind in Vorbereitung. Zusammen mit dem Team um Mariano Campoy-Quiles vom ICMAB-CSIC in Spanien erhielten sie außerdem ein Patent für ein neuartiges Material, das den Majoritätsladungsträger wechseln kann, wenn es mit UV-Licht bestrahlt wird. Das ist für Müller der absolute Höhepunkt der Forschung: Menschen, Artikel, Patente.

Schlüsselbegriffe

ThermoTex, thermoelektrisch, Gewebe, Garn, Kunststoff, Silber, Leuchtturm, Kondensator, Sensor, Internet der Dinge

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