Zuinig hoortoestel

IEMAND DIE EEN hoortoestel oplaadt met een GSM-telefoon. Het lijkt science fiction, maar Albert van der Woerd, onderzoeker bij het Laboratorium voor Elektronica van de TU Delft, houdt serieus rekening met deze mogelijkheid. Van der Woerd doet al vijfentwintig jaar onderzoek naar laagvermogen elektronica, waarbij zeer weinig energie wordt verbruikt. In opdracht van Philips ontwikkelde de vakgroep van Van der Woerd tien jaar geleden al eens een zuinig hoortoestel met een vermogen van 2,5 milliwatt. Dat werd later teruggeschroefd naar 450 microwatt. Inmiddels is er een prototype met een vermogen van 50 microwatt. Op de energie die een gloeilamp in een seconde verbruikt kan een hoorapparaat twaalf dagen werken.

Lange tijd dacht men dat het vrijwel onmogelijk was om elektronische schakelingen te realiseren met voedingsspanningen van enkele millivolts. Het vermogen dat hiermee kan worden opgewekt is voor de meeste digitale circuits namelijk te gering. Anders dan analoge elektronica verbruiken digitale schakelingen in rusttoestand niet minder energie. Daarom is analoge audio-apparatuur vele malen zuiniger dan digitale computers die op een opdracht staan te wachten.

"De analoge wereld is nog lang niet pass‚", aldus Van der Woerd. "Sterker nog: analoge technieken komen weer helemaal terug." Het lage energieverbruik van analoge apparaten biedt totaal nieuwe mogelijkheden. Batterijen worden kleiner en ze zijn steeds makkelijker oplaadbaar, bijvoorbeeld via temperatuurverschillen in het lichaam. Dergelijke verschillen, tussen bijvoorbeeld de huid en de omringende lucht, kunnen met behulp van thermokoppels worden omgezet in elektrische energie.

Een thermokoppel bestaat uit twee aan elkaar gelaste draadjes van twee soorten metalen, bijvoorbeeld koper en constantaan. Als de las wordt verhit ontstaat een spanningsverschil van enkele millivolts. Twintig jaar geleden is er al eens een horloge ontwikkeld dat liep op de warmte van de pols. Maar verder kwam men niet, omdat andere toepassingen op dat moment veel meer energie vergden dan het lichaam kon leveren. Dat is dus niet langer zo. In een testopstelling in zijn werkkamer in Delft toont Van der Woerd hoe een oscillator kan worden gevoed door vijf millivolt via lichaamswarmte die via de vinger op een thermozuil - een aantal seriegeschakelde thermokoppels - wordt overgedragen. Van der Woerd vergelijkt het principe van zo'n zuil met een omgekeerde koelkast. Bij een koelkast wordt juist spanning gebruikt om een temperatuurverschil te cre‰ren. Volgens Van der Woerd is een temperatuurverschil van 2 graden Celsius al voldoende om gecompliceerde analoge systemen te voeden. Met dergelijke technieken zouden bijvoorbeeld insuline-injectoren of pacemakers van energie kunnen worden voorzien.

Pacemaker-pati‰nten moeten elke zeven … acht jaar geopereerd worden omdat de batterij van hun pacemaker moet worden vervangen. De techniek van Van der Woerd zou dergelijke operaties overbodig maken. Toch hebben fabrikanten al laten doorschemeren dat ze pacemakers na zeven jaar liever vervangen, omdat de pacemakertechnologie nog steeds in ontwikkeling is. Samen met de Stichting Technische Wetenschappen (STW) en Bakken Research, een dochter van de Amerikaanse multinational Medtronic, wil TU Delft daarom onderzoek verrichten naar toepassingen die meer energie verbruiken zoals neurostimulatoren bij Parkinsonpati‰nten. Pacemakers geven hooguit tien keer per dag een korte puls af. "Een pacemaker heeft een bewakingsfunctie, dat verklaart het lage vermogen van 25 microwatt", zegt Van der Woerd. "Een neurostimulator is veel actiever en heeft een vermogen van wel honderd microwatt. Dat betekent dat je zo'n apparaat ieder jaar zou moeten vervangen."

Er zijn ook niet-medische toepassingen denkbaar, zoals warmtemeters voor radiatoren. De huidige meters geven in huurflats het energieverbruik van de centrale verwarming aan. Volgens Van der Woerd zijn deze meters zeer onnauwkeurig omdat ze de verdamping van een vloeistof in de warmtemeter meten. "De mate van verdamping zou het energieverbruik moeten aangeven, maar de miswijzing kan zo oplopen tot enkele tientallen procenten." Door het temperatuurverschil tussen de radiator en de kamer te meten zou het energieverbruik nauwkeuriger kunnen worden aangegeven."

Samen met G.P. Reitsma doet Van der Woerd onderzoek naar een tweede energiebron voor laagvermogen elektronica: de elektromagnetische straling van GSM-telefoons. Van de energie die GSM-telefoons uitzenden bereikt nog geen honderdste procent het basisstation, de rest wordt omgezet in warmte. Die energie zou volgens Van der Woerd heel goed opgevangen en benut kunnen worden: "De ethervervuiling neemt toe. Er worden steeds hogere veldsterkten en frequenties gebruikt. Op dit moment komt er al 2 watt uit een mobiele telefoon. Met die energie zou je inwendige medicijnpompen en pacemakers kunnen opladen."

Toekomstige elektronische implantaten zouden voorzien moeten worden van apparaatjes die de elektromagnetische straling omzetten in gelijkspanning voor een heroplaadbare batterij. Wie in de buurt van een GSM-basisstation woont hoeft niet eens zijn mobiele telefoon te activeren, omdat straling dan automatisch opgevangen wordt. Voorwaarde is wel dat de sterke straling van het toestel het implantaat niet mag storen. De energie moet dus alleen de batterijoplader kunnen bereiken. Toch prefereert Van der Woerd deze energiemethode boven het gebruik van thermokoppels omdat die door het lichaam kunnen worden aangetast. "Je hebt voor dit soort toepassingen robuuste technieken nodig. Het lichaam maakt alles kapot."