Byebye batterij

Maakt de batterij plaats voor apparaten die hun eigen energie oogsten?

Een pacemaker die geen batterijen nodig heeft? Dat zou een uitkomst zijn voor hartpatiënten. Nima Tolou, universitair docent in recisiemechatronica aan de TU Delft, doet er onderzoek naar.

Tekst: Anouschka Busch, beeld: James Cavallini/HH, Towfiqu/Getty Images, TU Delft

Tik. Tik. Tik. Ongeveer één keer per seconde stuurt een pacemaker een elektrisch signaal naar het hart. Trek samen. Trek samen. Trek samen. Zoiets houdt een batterij natuurlijk niet oneindig lang vol. Na een jaar of zes, zeven is een pacemaker dan ook aan vervanging toe. Dat is belastend voor de hartpatiënt, die weer een nieuwe operatie moet ondergaan. Daarom wil Nima Tolou, universitair docent precisie-mechatronica aan de TU Delft en ingenieur van het jaar 2018, een nieuw soort pacemaker ontwikkelen. Deze loopt niet op batterijen, maar op het kloppen van het hart. Als dat lukt, hoeven pacemakers in de toekomst niet meer te worden vervangen.

Het principe werkt

Het klinkt merkwaardig. Een pacemaker laat het hart kloppen, dus hoe kan datzelfde kloppende hart dan de energie voor de pacemaker leveren? Als de pacemaker een make-over krijgt, is dat toch mogelijk. Nu krijgt hij via zijn ingebouwde batterij elektrische energie. Als de make-over van Tolou slaagt, wordt het een apparaat dat die energie zelf gaat oogsten. De pacemaker zal dan geen batterij aan boord hebben, maar onderdelen die de bewegingen van het kloppende hart moeten opvangen (‘oogsten’) en deze vervolgens omzetten in een elektrisch signaal dat het hart weer laat kloppen.

Zo’n pacemaker is er nu nog niet. Maar dat het principe werkt, toonde Tolou met zijn start-up Kinergizer aan. Hij ontwikkelde een energie-oogster die qua uiterlijk wel wat weg heeft van een batterij die je in zaklantaarns doet. Maar aan de binnenzijde is hij helemaal anders. Daar zit een flexibel plaatje dat de trillingen uit de omgeving oppikt en versterkt. Dat zorgt ervoor dat in een spoel een magneetje heen en weer schiet, waardoor een elektrisch stroompje gaat lopen. Het principe is hetzelfde als een lamp die je oplaadt door er even mee te schudden. Alleen zorgt hier het flexibele plaatje ervoor dat je niet heel hard hoeft te schudden. Een kleine trilling is al afdoende om de magneet te laten bewegen.

Energie uit beweging

Deze energie-oogster kan enkele milliwatts aan energie opwekken. Dat is niet veel: om een smartphone op te laden, heb je minimaal duizend keer meer nodig. Maar het is wel voldoende om een sensor te  laten werken. En daar komen er steeds meer van (zie ook ‘Internet der dingen’). Het is niet de eerste poging om een apparaatje te maken dat energie oogst uit beweging. Die eerdere energie-oogsters bleken echter nauwelijks bruikbaar in de praktijk. ‘Ze doen het onder laboratoriumomstandigheden prima, als de trillingen een constante frequentie hebben’, zo weet Tolou. ‘In de echte wereld zijn trillingen echter nooit constant.’
Neem de spoorwegen, een van de plekken waar getest wordt met energie-oogsters. Sensoren meten daar voortdurend of alles op rolletjes loopt. Is het spoor in orde, de wissels, de wielen van de trein en andere onderdelen? Een energie-oogster kan die sensoren van stroom voorzien door slim gebruik te maken van de trillingen die de treinen produceren. Maar die zijn nooit hetzelfde. Tolou: ‘Een trein gaat soms langzaam en soms snel. De omstandigheden op het spoor zijn telkens anders, het aantal passagiers wisselt en ook de temperatuur. Dat zorgt voor telkens andere trillingen.’ De bestaande energie-oogsters, die alleen in een vaste frequentie resoneren, kunnen daar niet mee uit de voeten. De oogster van Tolou reageert op allerlei soorten trillingen en moet er prima mee overweg kunnen.

Medische toepassingen

In zijn onderzoek aan de universiteit richt Tolou zich op medische toepassingen, zoals de pacemaker. In zo’n geval mag de energie-oogster niet te groot zijn: hij krijgt hooguit het formaat van een muntje van twee cent. En in plaats van een heen en weer schietend magneetje wordt hij uitgevoerd met piëzo-elektrische kristallen. Dat materiaal wekt energie op als het ingedrukt wordt. Maar voorlopig is de micro-oogster er nog niet. Een dergelijk apparaat ontwikkelen voor medische toepassingen vereist nog veel onderzoek en testen. ‘Het zal nog zeker tien jaar duren voordat we een batterijloze pacemaker hebben’, zo schat Tolou. Maar daarna zullen waarschijnlijk snel andere toepassingen volgen. In de medische  wereld maar ook daarbuiten. ‘Tegen die tijd zijn sensoren waarschijnlijk zoveel energiezuiniger geworden dat de micro-oogster op allerlei gebieden kan worden ingezet.’

Het internet der dingen

Ook buiten de medische wereld zijn toepassingen te bedenken voor energie-oogsters. Neem het ‘internet der dingen’. Dat zijn apparaten waarvan je niet meteen zou verwachten dat ze gegevens door-sturen of uitwisselen met andere apparaten via internet. Een thermostaat in huis die je op afstand instelt bijvoorbeeld, of horloges die je hartslag meten en bijhouden welke afstand je hebt afgelegd. Dat gebeurt via miljarden sensoren en andere kleine apparaatjes die allemaal stroom vragen. Het is  onmogelijk om die allemaal te bedraden. Energie-oogsters die hun energie uit de omgeving halen, bijvoorbeeld uit trillingen, zouden weleens de oplossing kunnen zijn.

Horloge leverde inspiratie

Het idee voor de energie-oogster kreeg Nima Tolou toen hij werkte aan een nieuw aandrijfmechanisme voor horloges. Normaal bestaat dat uit zo’n dertig onderdelen. Met een team van fabrikant Zenith en veertien onderzoekers en studenten bracht Tolou dat terug tot één flexibel plaatje. Eenzelfde plaatje dat ook als energie-oogster in bijvoorbeeld spoorwegsensoren kan worden gebruikt. Zo’n elastisch mechanisme lag niet voor de hand voor een horloge. Om te zorgen dat een klok nauwkeurig is, moet je zorgen dat hij erg regelmatig tikt. Elastische mechanismen genereren van nature juist onregelmatige trillingen. Het team van Tolou kreeg het voor elkaar het flexibele tijdmechanisme zo goed onder controle te krijgen dat de onregelmatigheden elkaar precies opheffen. Het resultaat: het nauwkeurigste mechanische horloge tot nu toe.

Download


Screenshot magazine-artikel. Klik en download het volledige artikel (pdf)