Energieknieën

Het is iets voor soldaten. En misschien ook voor anderen in oorden zonder elektriciteit: stroom oogsten uit voetstappen.

Margriet van der Heijden

Een ommetje maken en daarna thuiskomen met een opgeladen mobieltje. Dat is dichterbij gekomen dankzij de ‘actieve’ kniebeugels die Max Donelan van de Simon Fraser University in het Canadese Burnaby met collega’s ontwikkelde. Elegant zijn ze in hun eerste versie niet: meer iets om mee naar buiten te gaan als het donker is en stil op straat. Maar ze werken wel: de beugels oogsten uit voetstappen genoeg energie om twee simpele laptops aan de praat te houden, of tien mobiele telefoons (Science, 9 februari).

Het idee om mensen te gebruiken als batterij of oplader is op zich niet nieuw. In de suikers en vetten in ons lichaam zit een hoop chemische energie opgeslagen. Met spieren zetten we die om in mechanische energie, in beweging. En dat beweging ook gebruikt kan worden voor het opwekken van elektrische stroom, dát is al lang bekend: minstens zo lang als de fietsdynamo.

terloops

Wel nieuw aan de kniebeugels is de terloopse én efficiënte manier van energie opwekken. Net zo terloops als bij de fietsdynamo, die ook elektrische stroom geeft als bijproduct van een alledaagse activiteit. En anders dus dan bij het gebruik van knijpkat, opwindradio of opwindoplader, die juist vragen om gerichte inspanning. Voor langdurige energieopwekking is het veel slimmer om bij alledaagse activiteiten aan te haken, schrijven Donelan en collega’s.

In hun eigen geval – energie halen uit lopen – pakten zij dat anders aan dan de meeste andere onderzoekers tot nu toe: die hielden zich vooral bezig met schoenzolen. De energie wordt daaruit geoogst tijdens de compressie, het samendrukken van de zool, bij elke stap. Dat levert op zijn best 0.8 watt vermogen op – net genoeg voor één mobieltje, te weinig voor een laptop.

Het team maakt, veel effectiever, gebruik van de zwaaiende beweging naar voren van het been tijdens een stap. Eigenlijk benutten Donelan en collega’s het feit dat mensen tijdens het bewegen op twee manier energie verbruiken. Om in beweging te komen én om die beweging weer af te remmen. In dit geval: om een been naar voren te zwaaien én om het daarna weer rustig op de grond te laten komen. Nog anders gezegd, aan het einde van elke stap verbruiken mensen energie om de beweging af te remmen die ze eerder zelf in gang hebben gezet.

Daar zit de winst. Het been kan óók worden afgeremd door bewegingsenergie af te tappen – bijvoorbeeld door een deel van die bewegingsenergie om te zetten in elektriciteit. Hier gebeurt dat door de zwaaiende beweging van het been, en de bijbehorende langzame draaibeweging van de knie, deels over te brengen naar radertjes. En door met zo’n raderwerkje een generator aan te drijven. Zo gaat er stroom lopen, terwijl tegelijkertijd de hamstringspieren hulp krijgen bij het vertragen van het been.

“Ons systeem haalt energie uit het kniegewricht”, vat Donelan samen in een e-mail. “Om de spieren rond de kniepezen (de ‘hamstrings’) te helpen om de beweging van de knie te vertragen, zitten er sensoren in het systeem die de energieopwekking inschakelen aan het eind van de uitzwaaiende beweging, net voor de voet de grond raakt.”

De effectiviteit van het idee werd getest door zes vrijwilligers (gezonde mannen van gemiddeld 78 kilo) die met de kniebeugels op de loopband werden gezet. Uit hun ademhaling werd met standaardmethoden afgeleid hoeveel energie zij verbruikten in verschillende situaties. Allereerst tijdens het dragen van de kniebeugels terwijl het raderwerk en de generator ontkoppeld waren – zonder bijremmen dus (de controlesituatie). Daarna tijdens het ‘oogsten van biomechanische energie’, met de radertjes en generator in beweging aan het einde van elke stap.

Het ‘oogsten’ kost amper extra inspanning ten opzichte van de controlesituatie, zo bleek. Voor een elektrisch vermogen van 1 watt was gemiddeld maar 0,7 watt extra inspanning nodig, wanneer de proefpersonen doorstapten (5,4 kilometer/uur). Per persoon leverden ze gemiddeld vijf watt – genoeg voor de tien mobieltjes.

Maar een tweede vergelijk, tussen het lopen met (uitgeschakelde) beugels en gewoon lopen, laat zien dat er toch wat te verbeteren valt. Het tillen van de beugels kost namelijk wél extra energie, 20 procent ten opzichte van gewoon lopen. Niet zo vreemd, want de beugels wegen 1,5 kilo per stuk (een groot pak melk) en hangen vrij laag aan het been. Het betekent alleen wel dat, hoewel de radertjes en de generator de energie efficiënt oogsten, hun gewicht en dat van hun behuizing het lopen toch zwaar maken.

lichter

Voor een echt effectieve energieopwekking zijn dus lichtere beugels nodig. “Ik denk dat we het extra energieverbruik uiteindelijk naar vijf procent kunnen brengen”, mailt Donelan.

Daarop vooruitlopend wil hij over anderhalf jaar de eerste prototypes gaan testen ‘in het veld’. De eerste klanten – Donelan is ook directeur van het bedrijf Bionic Power dat dit soort producten op de markt brengt – verwacht hij daarna in de medische en militaire wereld. Hij denkt aan stroom voor communicatieapparatuur in afgelegen oorden. Of voor draagbare medische hulpmiddelen (zoals insulinepompjes) die sommige patiënten permanent nodig hebben.

In Science wijzen de auteurs verder op de derde wereld, waar een half miljard kinderen zonder elektriciteit leven en geen laptop of telefoon kunnen gebruiken, of water kunnen zuiveren. “Ook dit heeft de interesse van ons bedrijf”, mailt Donelan, “maar dan misschien op de wat langere termijn.” De gewone consument volgt het laatst, denkt hij. “Maar wie weet, misschien laadt ooit iedereen zijn mobieltje op met een ommetje.”