Alles wat beweegt kan stroom leveren

Zonder batterijen

Allerlei kleine apparaatjes en sensoren zouden ‘gratis’ energie kunnen halen uit beweging, zegt de Delftse ingenieur Nima Tolou.

„Batterijen zijn niet duur, maar telkens batterijen vervangen is dat wel”, zegt Nima Tolou. Hij is universitair docent aan de TU Delft en winnaar van de Prins Friso Ingenieursprijs die op 21 maart werd uitgereikt. Tolou heeft een apparaatje ontwikkeld dat zelf energie opwekt en zo batterijen overbodig maakt. De energy harvester, zoals hij het noemt, wint energie uit onregelmatige bewegingen. Als iets trilt of schudt maakt de harvester er elektrische energie van.

De harvester is zo groot als een D-batterij en kan enkele milliwatts aan energie opwekken. Dat is niet genoeg om je mobiele telefoon op te laden, maar voor een GPS-tracker of temperatuur- of lichtsensor is het ruim voldoende. Ook laagvermogen-apparaten als pacemakers kunnen ermee van energie voorzien worden.

„Het idee voor de harvester begon met een mechanisme dat het omgekeerde doet: energie omzetten in een onregelmatige beweging”, vertelt Tolou. Samen met zijn onderzoeksgroep en het horlogemerk Zenith ontwikkelde hij een aandrijfmechanisme voor een mechanisch horloge dat niet uit de gebruikelijke 31 maar uit één flexibel onderdeel bestaat. Revolutionair, want de techniek van het horloge is conceptueel niet meer veranderd sinds Christiaan Huygens het in 1675 bedacht.

Dat ene onderdeel zet de energie om in een onregelmatige, trillende beweging. Een onregelmatige beweging klinkt gek voor iets dat de tijd aangeeft. Maar door het systeem heel precies te controleren, konden de ontwikkelaars ervoor zorgen dat de kleine onregelmatigheden elkaar opheffen, waardoor de beweging over een langere tijd superregelmatig is. Het werd het meest nauwkeurige mechanische horloge ter wereld.

Door dat mechanisme om te draaien kan een onregelmatige beweging omgezet worden in energie. De onregelmatigheid van het flexibele onderdeel wordt niet opgeheven, maar juist versterkt. En de meeste alledaagse bewegingen, zoals het kloppen van je hart en de trillingen van een rijdende trein, zijn onregelmatig. Door een harvester te bevestigen aan iets dat beweegt, gaat het apparaatje zelf ook bewegen. De beweging wordt omgezet in energie, doordat er in de harvester een magneetje heen en weer gaat schieten door een spoel. Zo ontstaat een elektrisch stroompje, net als bij een fietsdynamo.

Internet der dingen

Afhankelijk van de grootte van het apparaatje kan er op die manier een paar honderd microwatts tot enkele milliwatts aan energie opgewekt worden. Dat is niet veel. Zelfs een smartwatch heeft honderd keer meer nodig. Veel beter zal de energy harvester niet worden. Tolou: „We lopen tegen natuurwetten aan die we echt niet kunnen buigen.” De harvester is dus alleen nuttig voor apparaten met een laag vermogen. Dat lijkt misschien een kleine markt, maar the Internet of Things (het internet der dingen) is in opkomst; onze omgeving wordt gevuld met sensoren die van alles bijhouden: is de koelkast koud genoeg? Brandt het licht in de woonkamer? Deze informatie versturen ze naar een centraal regelsysteem. „De verwachting is dat er in 2020 tientallen miljarden laagvermogende apparaten, zoals sensoren, gebruikt worden”, zegt Tolou.

De harvester wordt nu al getest bij het spoorwegnet. Sensoren meten daar de trillingen en temperatuur van het spoor en de wielen en geven een waarschuwing als er schade is. Een kapot onderdeel kan namelijk gaan trillen of er ontstaat extra wrijving en dus warmte. Al die sensoren werken nu nog met batterijen, maar de energy harvester kan ze van stroom voorzien door energie te oogsten uit de trillingen van langsrijdende treinen.

Daarnaast wordt gekeken naar medische toepassingen, zoals pacemakers. Nu werken die nog op batterijen. Als die vervangen moeten worden, moet de patiënt onder het mes. De huidige harvester met het magneetje en de spoel, is niet geschikt voor pacemakers. Toulou: „Daarom onderzoeken we of we hiervoor piëzoelektrische materialen kunnen gebruiken. Die wekken stroom op als ze ingedrukt of vervormd worden.”

En met een ziekenhuis in Den Haag wordt gekeken naar het vervangen van de batterijen van gehoorapparaten van kinderen. „Voor de kinderen en de ouders is het fijn als dat niet vaak hoeft te gebeuren”, vertelt Tolou. „En kinderen bewegen veel. We kijken of een deel van die beweging gebruikt kan worden om energie op te wekken voor hun gehoorapparaten.”