Schon seit einigen Jahren forschen Wissenschaftler weltweit an Technologien, die elektronische Geräte von Batterien und Akkus unabhängig machen könnten. Möglich wird dies beispielsweise durch Materialien, die unter dem Einfluss von Temperaturschwankungen oder Magnetfeldern Elektronen freisetzen, aber auch durch triboelektrische Verbundstoffe, die bei Druck oder Verformung Strom erzeugen. Dabei kommt es beim Kontakt zweier Materialschichten zum Austausch von Elektronen, die bei der anschließenden Trennung abgeleitet werden können. Ein Beispiel für solche triboelektrische Generatoren haben Forscher erst vor wenigen Monaten genutzt, um eine implantierten Nervenstimulator bei Ratten zu betreiben. Für die nötige Energie sorgte in diesem Fall die natürliche Peristaltik des Magens.
Kontakt und Trennung setzen Elektronen frei
Doch bisherige Versionen triboelektrischer Generatoren für Implantate hatten ein Manko: Ihre Energieproduktion war noch zu gering, um Schrittmacher und andere Implantate beim Menschen anzutreiben. Jetzt jedoch könnte Forschern um Han Ouyang vom Institut für Nanoenergie und Nanosysteme in Peking ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen sein. Sie haben ein triboelektrisches System entwickelt, das die Bewegung des Herzens zur Energiegewinnung nutzt – und dabei genügend Strom erzeugt, um einen gängigen Herzschrittmacher anzutreiben. Die Wissenschaftler beschreiben ihr implantierbares System als quasi symbiotisch: “Der symbiotische Schrittmacher nimmt Energie vom Körper auf um seine Arbeit leisten zu können. Gleichzeitig bekommt der Körper dafür elektrische Stimulation vom Schrittmacher um die Herztätigkeit zu regulieren”, so Ouyang und sein Team.
Konkret besteht der Energiesammler dieses Systems aus einer triboelektrischen Schicht polarisierten Polytetrafluorethylens (PTFE) und einer Aluminiumschicht, die als Elektronendonor fungiert. Beide Schichten sind normalerweise durch einen porösen, schwammartigen Abstandshalter getrennt. Durch die Herzbewegung wird diese elastische Trennschicht zusammengedrückt und es kommt zum Elektronentransfer. Die erzeugte Spannung wird über eine Elektrode abgeleitet und an einen kleinen Kondensator als Speichereinheit übertragen. Der gesamte Generator ist in einer Hülle eingeschlossen und kann so zusammen mit dem Schrittmacher und der Speichereinheit in den Brustkorb implantiert werden.
Herzrhythmusstörungen beim Schwein behoben
Wie gut dieser “symbiotische” Schrittmacher funktioniert, haben Ouyang und sein Team an Schweinen getestet. Diese besitzen Herzen, die den menschlichen sehr ähnlich sind und die auch in Größe, Gewicht und dem Energiebedarf für Schrittmacher vergleichbar sind. Der triboelektrische Energiesammler wurde den Schweinen nahe an der Wand der linken Herzkammer implantiert. “Dadurch bewirkte die Herzbewegung periodischen Kontakt und Trennung der beiden triboelektrischen Schichten”, erklären die Forscher. Bei jeder Systole des Herzens wurde der Generator zusammengedrückt und erzeugte einen Spannungspuls. Die dabei erzeugte Energie entsprach rund 0,495 Mikrojoule. Das sei mehr als die für Schrittmacher nötige Schwelle bei Schwein oder Mensch, berichten die Wissenschaftler. Im Laufe von drei Stunden stieg dadurch in der Speichereinheit die elektrische Spannung schrittweise von 0 auf 3,55 Volt.
