Loopstroom

Dit overweegt bijna niemand: een windmolen op het dak van de auto monteren en voortaan de auto door de eigen rijwind laten aandrijven. Dus eerst met de benzinemotor op snelheid komen en dan, als de molen goed op toeren is, de motor loskoppelen en de draaiende as van de windmolen verbinden met de versnellingsbak. De intuïtie rond energie en energieverbruik is bij de meeste mensen voldoende ontwikkeld om ze te laten inzien dat het de pendant is van de man die zich aan zijn eigen haren uit het moeras trekt. Een door de eigen rijwind aangedreven auto is een perpetuum mobile.

Anders zit het met een molen op het autodak die alleen de accu hoeft vol te houden. Zo'n molen kan in de plaats komen van de dynamo die in normale auto's de accu bijlaadt. Nu staat men wèl voor een serieuze afweging: doet de dynamo, die is gekoppeld aan de motor en de motor extra wrijving bezorgt, dat efficiënter dan de windmolen die de aërodynamica van de auto aantast? Het antwoord is ja want de luchtweerstand van de auto wordt al door het minste uitsteeksel dramatisch verhoogd en het rendement van windmolens is berucht laag. Wat hieronder volgt is een variatie op het thema molen/dynamo.

De laatste Science (9 september) beschrijft een uitvinding waarover we nog veel zullen horen: de suspended-load backpack die mechanische energie omzet in elektriciteit. Het is een bijzondere rugzak die onder het lopen permanent een elektrisch vermogen van zo'n 2 tot 3 watt genereert. Dat is voldoende voor het opladen van de mobiele telefoon, het GPS-systeem en wie weet zelfs voor een energiezuinige laptop. Aan een goede elektriciteitsbron is een enorme behoefte want veel geleerden en onderzoekers kunnen tijdens het veldwerk niet meer uit de voeten zonder die attributen. Steeds vaker gaan zij noodgedwongen op expeditie met een niet te tillen vracht aan batterijen. De bagage van individuen met een hoge elektriciteitsvraag die zich in afgelegen gebieden begeven bestaat vaak wel voor 25 procent uit batterijen, noteren de uitvinders. Zij verwijzen naar een site die laat zien dat dit eigenlijk alleen geldt voor Amerikaanse militairen. Maar die blijven in Science ongenoemd.

Bij nader inzien blijkt er al zo'n tien jaar hard gewerkt te worden aan het aftappen van de energie die die men lopend of marcherend opwekt. Het Google-trefwoord is `parasitic power'. Streven is de mobiele telefoon al lopend bijgeladen te houden en veel spanning, vermogen en energie hoeft er dus niet opgewekt te worden. Voor een deel is het studentikoze phun: er worden allerlei contrapties in of onder de schoenen aangebracht en die wekken dan wat stroom op. Meer dan een vermogen van 20 milliwatt (20 mW) halen ze niet en meestal bezorgen zij de gebruiker veel hinder bij het lopen.

Nu is er de suspended-load backpack, de rugzak met vrijzwevende lading die vaak wel 2 en soms zelfs 7 watt vermogen levert. In essentie bestaat hij uit een klassiek ladderframe waarop een plaat is gemonteerd die daarin schuiven kan zoals de braadslee in de oven. De mee te nemen bagage wordt vastgemaakt aan die plaat. Tijdens het lopen gaat de plaat in het loopritme heen en weer ten opzichte van het ladderframe en met een heugel (zoals in de fietsbel) wordt die heen en weer gaande lineaire beweging omgezet in een heen en weer gaande rotatie. Die drijft een kleine generator (dynamo) aan. Tussen het schuiven en de uiteindelijke stroomproductie is een versnelling van 1:25 aangebracht zodat een toerental van maar liefst 5.000 rpm wordt bereikt. De geleerde die met de nieuwe rugzak de eenzaamheid in trekt moet een zeker gezoem rond het hoofd dus wel voor lief nemen.

Verder is het gewoon een state-of-the-art generatortje met minimale overbrengingsverliezen. De wisselspanning die hij opwekt wordt nog gelijkgericht en afgevlakt, maar dat is een kleine ingreep.

Dit was het kwalitatieve deel. Het kwantitatieve deel geeft snel zicht op de beperkingen. In de eerste plaats weegt de aangepaste rugzak in lege toestand al 5,6 kilo en genereert hij pas flink vermogen bij een inhoud van 38 kilogram en een loopsnelheid van 6,5 km/h. Dat laatste heet een geforceerd marstempo, een extra aanwijzing dat we hier met een militaire toepassing in spe te maken hebben. Met een last van 16 kilo en een tempo van 4,5 km/h wordt nog niet 1 watt opgewekt.

Maar het aardige is dat de rugzak helemaal niet zo'n slecht rendement heeft. Het blijkt dat de losse plaat over praktisch dezelfde afstand langs het frame heen en weer slingert als de mens steeds bij het lopen opwipt, dat is een centimeter of vijf. Draagt het individu een last van 36 kilo en zet het precies twee stappen per seconde dan kan dit een vermogen van 35 watt opleveren, zoals een heel eenvoudige formule (m.g.h/t) aantoont. Aan de elektrische kant van de dynamo wordt onder die condities zo'n 4 watt gemeten.

Van doorslaggevend belang is de vraag of deze elektriciteitsopwekking de gebruiker niet onevenredig zwaar belast. Als dat zo zou zijn kan hij beter een knijpkat meenemen. En hier zit de grote verrassing, de verrassing die voor Science waarschijnlijk het interessantst was: dat valt erg mee. Menselijke spieren zetten hun biochemische energie met een maximaal rendement van 25 procent om in mechanische energie. Wordt onder het lopen aan de schuivende plaat een mechanisch vermogen van 12 watt gegeven, dan is dus de verwachting dat daar zeker 48 watt extra spiervermogen voor nodig is. In werkelijkheid wordt op grond van metingen aan zuurstof-verbruik en CO2-productie een extra vermogen van maar 19 watt berekend. In een reeks proeven waarbij de plaat beurtelings vrij schuiven kon of werd geblokkeerd is dit keer op keer vastgesteld.

Bij toeval hebben de uitvinders dus aangetoond dat het energieverbruik van het sjouwen met een rugzak sterk afhankelijk is van de wijze waarop de last wordt gedragen. Eindelijk is daarmee misschien een middel gevonden waarmee kan worden begrepen hoe Afrikaanse vrouwen en Nepalese dragers erin slagen zware lasten te dragen zonder noemenswaardig extra energieverbruik (Science, 17 juni 2005).

    • Karel Knip