Stroom uit oren, lever en telefoon

Een draadje van verschillende metalen maakt het mogelijk hoortoestellen te voeden met elektriciteit uit de oren. Andere lichaamsdelen gaan misschien ook stroom leveren....

WAT dr. ir. Albert van der Woerd van de Technische Universiteit Delft kan laten zien, oogt nog niet als een handzaam gehoorapparaat dat werkt op lichaamswarmte. Eigenlijk zie je vooral een oscilloscoop met een soldeerbout en ook nog wat draadjes. Maar het vormt wel degelijk de kern van elektronica die het menselijke lichaam en zelfs GSM-telefoons als energiebron kan gebruiken.

De vondst, die komende week in het blad Delft Integraal wordt gepubliceerd, is een volgende stap in de miniaturisatiewedloop in de elektronica. Daarin ligt de digitale techniek van de computer nog altijd achter op de analoge techniek van bijvoorbeeld gehoorapparaten en geluidsapparatuur. Digitaal maakt complexere schakelingen mogelijk, maar analoog is kleiner, sneller en zuiniger met energie.

Dat juist gehoorapparaten de miniaturisatie aanjagen, is niet verwonderlijk. Niemand vind het leuk om met een klomp elektronica en een joekel van een batterij achter het oor rond te lopen. De slechthorenden van Nederland spelen zodoende een doorslaggevende rol bij de zoektocht naar kleine elektronica, die bovendien weinig energie mag gebruiken, omdat anders grote batterijen nodig zijn.

Van der Woerd werkt al ruim tien jaar aan gehoorapparaten. Voor Philips ontwierpen zijn collega's en hij al eens een toestel met een vermogen van 450 microwatt. Met de energie die een spaarlamp van 12 watt in één seconde verbruikt, kan dat apparaat ruim zeven uur vooruit. Dat was voor de commercie voorlopig genoeg, maar de Delftse onderzoekers hadden het idee dat ze de grenzen van het mogelijke nog lang niet hadden bereikt. Ze zochten dus verder.

Het onderzoek culmineerde in de 'gehoorbril'. Dat wordt een op het oog normale bril die een rij microfoontjes bevat, zodat het geluid uit de kijkrichting van de drager extra versterkt kan worden. Dat verhelpt het 'cocktailparty-effect': het verschijnsel dat geluid uit alle richtingen even hard wordt versterkt, zodat de slechthorende bij omgevingsrumoer moeite heeft het stemgeluid op te pikken van degene met wie hij in gesprek is.

Van der Woerd slaagde erin de benodigde elektronica op vijftig microwatt te laten werken, zodat enkele kleine zonnecellen en foliebatterijen volstonden om het gehoorapparaat te laten functioneren. Alles kan in een brillenpoot van normale dikte, op papier althans. Het wachten is nog op de industrie die opdracht geeft de juiste brillenpoot te ontwerpen.

'Toen we eenmaal genoeg hadden aan enkele tientallen microwatts, begon ik me af te vragen of je geen andere energiebronnen kon aanspreken dan zonnecellen of batterijen', vertelt Van der Woerd. 'Ik dacht daarbij in eerste instantie aan spierkracht, chemische energie en temperatuurverschillen.'

Vooral temperatuurverschillen leken veelbelovend. In de gehoorgang is het namelijk warmer dan daarbuiten en dat verschil laat zich met een zogenoemd thermokoppel omzetten in elektrische spanning. Een thermokoppel bestaat uit een draad van metaal die wordt onderbroken door een stukje van een ander metaal. Als het ene verbindingspunt wordt verhit, ontstaat op het andere verbindingspunt een spanning. Op dit principe zijn onder meer elektronische thermometers gebaseerd.

Waar thermometers de spanning van enkele tientallen microvolts slechts meten (en omrekenen naar temperatuur), bedacht Van der Woerd dat je die spanning ook kon gebruiken als energiebron. Alleen heeft analoge elektronica een spanning nodig van rond de één volt - dat is nogal wat meer dan een paar microvolts.

Door een aantal thermokoppels achter elkaar te zetten en een microtransformator toe te voegen, slaagde de onderzoeker erin uit een temperatuurverschil van één graad een spanning van twintig volt op te wekken. Het is allemaal zo simpel, vindt Van der Woerd. 'Maar in de elektronica denkt men tegenwoordig zozeer in standaardprocessen, dat het bestaan van transformatoren soms helemaal wordt vergeten.'

Met de spanningsversterker is het in principe mogelijk, een gehoorapparaat te ontwerpen dat werkt op het temperatuurverschil tussen gehoorgang en buitenlucht. De industrie is nu aan zet; tot zolang is alleen de proefopstelling in Delft te zien met de soldeerbout als warmtebron en de oscilloscoop om de spanning zichtbaar te maken.

Aan de TU Delft wordt echter al weer verder gedacht. Het lichaam bevat namelijk nog meer prima energiebronnen. De lever, bijvoorbeeld, want de chemische fabriek van het lichaam warmt het bloed dat erdoorheen stroomt, een graad of twee op.

'Je zou de lever kunnen gebruiken als energiebron voor een pacemaker', suggereert Van der Woerd. Patiënten met een pacemaker moeten nu om de tien jaar geopereerd worden, omdat de batterij van hun implantaat dan leeg is. Een thermokoppel op de lever zou een permanente stroomvoorziening tot stand brengen.

Allerlei andere implantaten komen ook in aanmerking, zoals insuline-injectoren en apparaatjes die de blaasspieren onder controle houden.

Dit klinkt al behoorlijk futuristisch, maar er zijn nog onwaarschijnlijker energiebronnen. De lucht om ons heen is gevuld met allerlei radiosignalen, die allemaal goed zijn voor enkele microwatts aan vermogen. Dat is vooralsnog echt te weinig om iets nuttigs mee te doen. Maar er is één uitzondering: de mobiele telefoon.

Van de energie die een mobiele telefoon uitzendt, bereikt maar een fractie het basisstation. De rest waaiert uit en wordt uiteindelijk omgezet in warmte. Wie de telefoon aan zijn oor houdt, vangt zo toch de nodige microwatts op. Momenteel zijn vooral de mogelijk schadelijke gevolgen van die straling onderwerp van discussie, maar Van der Woerd ziet ook een nuttige energiebron voor gehoorapparaten en zelfs voor pacemakers: druk even je mobiele telefoon tegen je borst en je hartslag zit weer gebeiteld.

Bij dit alles bestaat nog één groot probleem: de straling van de telefoon kan weliswaar een batterijtje opladen, ze verstoort ook de elektronica. Dragers van gehoorapparaten worden op een snerpende piep getrakteerd als ze het wagen een GSM te gebruiken en hartpatiënten moeten helemaal uitkijken met stralende apparaten. Dat obstakel is echter te verhelpen, is de overtuiging van Van der Woerd. Een collega op het Laboratorium voor Elektronica is er al mee bezig.

Christian Jongeneel

Meer over