Reduzierte Wärmeleckage verbessert das tragbare Gesundheitsgerät

Ingenieure der North Carolina State University verbessern weiterhin die Effizienz eines flexiblen Geräts, das am Handgelenk getragen wird und Wärmeenergie aus dem menschlichen Körper gewinnt, um die Gesundheit zu überwachen.

Die Forscher berichten von erheblichen Verbesserungen bei der Verhinderung von Wärmelecks in dem flexiblen Körperwärme-Harvester, den sie erstmals 2017 vorgestellt und 2020 aktualisiert haben. Die Harvester nutzen die Wärmeenergie des menschlichen Körpers, um tragbare Technologien anzutreiben – denken Sie an intelligente Uhren, die Ihre Herzfrequenz und Ihr Blut messen Sauerstoff, Glukose und andere Gesundheitsparameter – die nie aufgeladen werden müssen. Die Technologie beruht auf denselben Prinzipien wie starre thermoelektrische Harvester, die Wärme in elektrische Energie umwandeln.

Flexible Harvester, die sich dem menschlichen Körper anpassen, sind für die Verwendung mit tragbaren Technologien sehr begehrt. Mehmet Ozturk, ein NC State Professor für Elektro- und Computertechnik, nannte den überlegenen Hautkontakt mit flexiblen Geräten sowie die ergonomischen und bequemen Erwägungen für den Geräteträger als Hauptgründe für den Bau flexibler thermoelektrischer Generatoren oder TEGs.

Die Leistung und Effizienz flexibler Harvester hinkt jedoch historisch weit hinter starren Geräten her, die in ihrer Fähigkeit, Körperwärme in nutzbare Energie umzuwandeln, überlegen sind.

Der Proof-of-Concept, über den TEG ursprünglich im Jahr 2017 berichtete, verwendete Halbleiterelemente, die mithilfe von Flüssigmetallverbindungen aus EGaIn – einer ungiftigen Legierung aus Gallium und Indium – elektrisch in Reihe geschaltet wurden. EGaIn stellte sowohl metallähnliche elektrische Leitfähigkeit als auch Dehnbarkeit bereit. Das gesamte Gerät wurde in ein dehnbares Silikonelastomer eingebettet.

Das im Jahr 2020 gemeldete verbesserte Gerät verwendete dieselbe Architektur, verbesserte jedoch die Wärmetechnik der Vorgängerversion erheblich und erhöhte gleichzeitig die Dichte der Halbleiterelemente, die für die Umwandlung von Wärme in Strom verantwortlich sind. Eine der Verbesserungen war ein Silikonelastomer mit hoher Wärmeleitfähigkeit – im Wesentlichen eine Art Gummi – das die EGaIn-Verbindungen einkapselt.

Die neueste Iteration fügt dem Silikonelastomer Aerogelflocken hinzu, um die Wärmeleitfähigkeit des Elastomers zu verringern. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass diese Innovation den Wärmeverlust durch das Elastomer um die Hälfte reduzierte.

„Die Zugabe von Aerogel verhindert, dass die Wärme zwischen den thermoelektrischen ‚Beinen‘ des Geräts entweicht“, sagte Ozturk. „Je höher die Wärmeleckage ist, desto niedriger ist die Temperatur, die sich im gesamten Gerät entwickelt, was zu einer geringeren Ausgangsleistung führt.“

„Das flexible Gerät, über das in diesem Dokument berichtet wird, ist um eine Größenordnung besser als das Gerät, über das wir 2017 berichtet haben, und nähert sich weiterhin der Leistung starrer Geräte“, fügte er hinzu.

Ozturk sagte, dass eine der Stärken der staatlich patentierten NC-Technologie darin besteht, dass sie dieselben Halbleiterelemente verwendet, die in starren Geräten verwendet werden, die nach Jahrzehnten der Forschung perfektioniert wurden. Der Ansatz bietet auch bestehenden Herstellern von starren thermoelektrischen Modulen eine kostengünstige Möglichkeit, in den flexiblen thermoelektrischen Markt einzusteigen.

Er fügte hinzu, dass sich sein Labor weiterhin darauf konzentrieren wird, die Effizienz dieser flexiblen Geräte zu verbessern.