Nie mehr aufladen? Forscher entwickeln Wearables ohne Akku, die Strom einfach aus Raumlicht ziehen

Ein Sensor am Oberarm kann heute schon über Stunden den Blutzucker messen, ein EKG-Pflaster zeichnet den Herzrhythmus auf, andere Wearables analysieren sogar Bestandteile im Schweiß. Je länger solche Geräte Daten sammeln sollen, desto banaler wird ihr größtes Problem: Irgendwann ist der Strom weg. Forscher der University of Queensland arbeiten deshalb an Wearables ohne Akku, die sich aus einer Energiequelle versorgen sollen, die ohnehin fast überall vorhanden ist – dem Licht im Raum.

Dafür nutzt das Team um den Chemieingenieur Miaoqiang Lyu spezielle Perowskit-Solarzellen, die auch unter künstlicher Beleuchtung Strom erzeugen können. Solche Zellen gelten für Innenräume als vielversprechend, hatten für medizinische Anwendungen aber bislang einen erheblichen Nachteil: Viele leistungsfähige Varianten enthalten giftiges Blei. Lyus Gruppe entwickelt deshalb bleifreie Alternativen und arbeitet nun an einem ersten Prototyp für tragbare Gesundheitssensoren. Von einem marktreifen Produkt ist die Technik noch entfernt, doch der Ansatz könnte eine lästige Grenze vieler Wearables beseitigen: das regelmäßige Laden.

Wearables ohne Akku sollen selbst Raumlicht nutzen

Photovoltaik wird meist mit Sonnenlicht verbunden, doch bestimmte Solarzellen funktionieren auch unter künstlicher Beleuchtung. Perowskit-Zellen eignen sich dafür besonders gut, weil sie Licht in Bereichen des Spektrums verwerten können, die typische Lampen in Innenräumen abgeben. Ein Sensor müsste dadurch nicht zwingend draußen getragen oder direkt ans Fenster gelegt werden. Auch Lampen in Wohnungen, Büros oder Arztpraxen könnten einen Teil der benötigten Energie liefern.

Für medizinische Wearables wäre das vor allem bei längeren Messungen hilfreich. Akkus müssen geladen, Batterien irgendwann ersetzt werden, und jede Unterbrechung kann eine kontinuierliche Datenerfassung erschweren. „Batterien müssen regelmäßig geladen und irgendwann ersetzt werden, während Photovoltaik für Innenräume das Potenzial hat, eine wartungsarme Quelle für saubere Energie bereitzustellen“, sagt Lyu.

Denkbar ist die Technik unter anderem für:

Glukosesensoren, die den Zuckerwert über längere Zeit verfolgen,
EKG-Pflaster zur Aufzeichnung der Herzaktivität,
Sensoren, die Laktat oder Elektrolyte im Schweiß messen.

Wie viel Strom solche Geräte tatsächlich aus Raumlicht gewinnen können, hängt allerdings von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören die Beleuchtungsstärke, die Fläche der Solarzelle und der Energieverbrauch des jeweiligen Sensors. Ein kleines Messgerät mit sehr geringem Strombedarf lässt sich leichter versorgen als ein Wearable, das dauerhaft funkt oder größere Datenmengen verarbeitet.

Bleifreie Solarzellen könnten Wearables ohne Akku sicherer machen

Perowskit-Solarzellen gelten seit Jahren als vielversprechend, doch für Geräte mit direktem Hautkontakt gibt es ein erhebliches Problem: Viele besonders leistungsfähige Varianten enthalten Blei. Für tragbare Gesundheitstechnik wäre das kaum akzeptabel. Lyus Team arbeitet deshalb an Materialien, die ohne dieses Schwermetall auskommen und dennoch genügend Energie erzeugen.

In einer vorausgehenden Forschungsarbeit entwickelte die Gruppe bereits ein skalierbares Verfahren, bei dem die dünnen Solarzellenschichten aus der Gasphase aufgebracht werden. Dabei verzichteten die Entwickler nach Angaben der Universität sowohl auf giftiges Blei als auch auf gefährliche Lösungsmittel. Die so hergestellten bleifreien Perowskit-Bauteile erreichten demnach eine hohe Leistung innerhalb dieser Materialklasse.

Für die nächste Entwicklungsstufe soll die sogenannte thermische Verdampfung weiter verbessert werden. Dabei werden Ausgangsstoffe unter Vakuum erhitzt und anschließend als sehr dünne Schicht auf einer Oberfläche abgeschieden. Das Verfahren ist für die spätere Fertigung interessant, weil es sich prinzipiell industriell nutzen lässt und keine aufwendigen Flüssigprozesse voraussetzt.

Gesundheitssensoren könnten länger ohne Unterbrechung messen

Das langfristige Ziel reicht über das bloße Einsparen eines Ladekabels hinaus. Medizinische Sensoren könnten Daten über längere Zeiträume erfassen, ohne wegen eines leeren Akkus pausieren zu müssen. „Eine wirklich energieautonome, kontinuierliche Nutzung – ohne Batterien, ohne Aufladen und ohne Unterbrechung der Datenerfassung“ sei das Ziel, sagt Lyu.

Davon könnten vor allem Menschen profitieren, die dauerhaft Gesundheitswerte überwachen müssen. Auch in abgelegenen Regionen sieht Lyu mögliche Vorteile, weil Geräte mit eigener Energieversorgung weniger Wartung benötigen könnten. Bis dahin müssen die Forscher allerdings zeigen, dass die Solarzellen unter typischer Innenbeleuchtung zuverlässig genug Strom liefern, lange halten und sich wirtschaftlich in kleine Wearables integrieren lassen.

Ob Raumlicht eines Tages tatsächlich reicht, um medizinische Wearables dauerhaft zu betreiben, soll nun der geplante Prototyp klären. „Wenn es gelingt, könnten bleifreie Photovoltaikzellen für Innenräume eine neue Generation von Gesundheitsgeräten ermöglichen, die sicherer, nachhaltiger und im Alltag einfacher zu nutzen sind“, so Lyu.

Kurz zusammengefasst:

Forscher der University of Queensland entwickeln bleifreie Perowskit-Solarzellen, die Wearables mit Energie aus gewöhnlichem Raumlicht versorgen sollen.
Die Technik könnte Glukosesensoren, EKG-Pflaster und andere Gesundheitsgeräte länger betreiben, ohne dass Akkus regelmäßig geladen oder Batterien gewechselt werden müssen.
Ein entsprechendes Wearable ist noch nicht marktreif; als nächster Schritt soll ein Prototyp zeigen, ob die Stromversorgung unter realen Bedingungen zuverlässig funktioniert.

Übrigens: Obwohl medizinische Wearables klein und unscheinbar wirken, verursachen sie durch Elektronik, Rohstoffe und kurze Nutzungszeiten aber einen wachsenden CO₂-Fußabdruck. Bis 2050 könnten weltweit fast zwei Milliarden solcher Geräte pro Jahr produziert werden. Mehr dazu in unserem Artikel.