Smarte Textilien Strom aus Stoff – neue Materialien zur Thermoelektrizität

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Mit dem richtigen Pullover wird der Handyakku nie mehr leer – zumindest theoretisch. Denn smarte Textilien können die Körperwärme in Strom umwandeln und damit z. B. das Smartphone aufladen. Die passenden thermoelektrischen Generatoren entwickeln Forscher am Leibniz-Institut für Photonische Technologien.

Jena – Am Köper getragene miniaturisierte elektronische Geräte, so genannte Wearables, könnten der neue Standard in der Textilindustrie werden. Sie überprüfen z. B. Vitalfunktionen, zählen Schritte oder informieren über Verkehr und Wetter. Um diese technischen Begleiter kontinuierlich mit Strom zu versorgen, haben Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) gemeinsam mit einem Team der Gesellschaft für Intelligente Textile Produkte (ITP) und dem spanischen Textilhersteller E. Cima ein Material entwickelt, welches unabhängig von externen Stromquellen die benötigte Energie liefert.

„Unsere Vision ist es, textile Materialien für die Energieerzeugung zu nutzen“, sagt Dr. Jonathan Plentz, Arbeitsgruppenleiter für Photonische Dünnschichtsysteme am Leibniz-IPHT. „Flexibel, bedarfsgerecht und umweltfreundlich können diese smarten Gewebe mobile Geräte der Unterhaltungselektronik oder für Gesundheitsanwendungen autark mit Energie versorgen. Smartwatches oder Fitnessarmbänder werden direkt am Körper getragen und lassen sich auf diese Weise jederzeit mit Strom versorgen. Vitalparameter können damit beispielsweise kontinuierlich gemessen und überwacht werden“, führt der Gruppenleiter aus. 

Der Körper wird zum Kraftwerk

Für die Energieerzeugung nutzen die Jenaer Forscherinnen und Forscher thermoelektrische Generatoren, welche die körpereigene Wärme in elektrische Energie umwandeln (Seebeck-Effekt). Dafür werden auf textilen Geweben Dünnfilmbeschichtungen in Form von aluminiumdotiertem Zinkoxid (Al:ZnO) als thermoelektrische Funktionsschicht aufgebracht. Durch Temperaturunterschiede zwischen der Hautoberfläche des Nutzers und der Umgebungstemperatur oder mittels Industrieabwärme haben die Forscher thermoelektrische Effekte mit Leistungen von bis zu 0,2 μW gemessen. Der erzeugte Strom ließe sich in einem Akku speichern, der den Energiebedarf von elektronischen Geräten für Gesundheit oder Sport deckt. „Damit wird die Energieversorgung von Geräten autark“, sagt Dr. Gabriele Schmidl, Projektleiterin am Leibniz-IPHT.

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Strom und erfrischende Kühlung

Die smarten Textilien sind aber mehr als nur Stromversorger: Der thermoelektrische Effekt kann auch für die Kühlung mittels elektrischer Energie genutzt und so für Kühlanwendungen und zur Temperaturregulierung eingesetzt werden (Peltier-Effekt). Ein mögliches Anwendungsgebiet sieht Arbeitsgruppenleiter Plentz in der Stahlindustrie: „An Hochöfen sind Arbeiter großer Wärmeentwicklung ausgesetzt. Schon nach kurzer Zeit steigt die Körpertemperatur durch die umgebende Hitze deutlich. Intelligentes Kühlgewebe integriert in Schutzkleidung kann helfen, die Körpertemperatur besser zu regulieren. Zudem zeichnen sich die textilen Materialien insbesondere durch ihre Luftdurchlässigkeit, Leichtigkeit und Flexibilität aus, was sich nicht nur positiv auf das Thermomanagement auswirkt, sondern zusätzlichen Komfort in herausfordernden Arbeitsumgebungen bietet.“

In Experimenten haben die Forscher durch Peltier-Kühlung einen Temperaturunterschied von bis zu 12 °C nachgewiesen, was für textile thermoelektrische Elemente einmalig sei. Perspektivisch ließen sich damit nicht nur prozesskritische Bereiche in der Industrie temperieren, sondern Einsatzkräfte von Polizei und Feuerwehr wären mit den smarten Textilien mit ihren kühlenden Eigenschaften noch besser geschützt. Eine aktive Regulierung der Körpertemperatur mit hohem textilen Tragekomfort ist auch im Bereich Well-Being und im medizinischen Umfeld (z. B. zur Fiebersenkung) wichtig. Die Kühlung von Transportgütern mittels funktionalisierter Textilien eröffnet weitere Anwendungsfelder.

Originalpublikationen:

G. Schmidl et al.: 3D spacer fabrics for thermoelectric textile cooling and energy generation based on aluminum doped zinc oxide, Smart Materials and Structures, Volume 29, Number 12, 125003; DOI: 10.1088/1361-665X/abbdb5

G. Schmidl et al.: Aluminum-doped zinc oxide–coated 3D spacer fabrics with electroless plated copper contacts for textile thermoelectric generators, Materials Today Energy 21 (2021) 100811, DOI: 10.1016/j.mtener.2021.100811

* D. Siegesmund, Institut für Photonische Technologien, 07745 Jena

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