Textilien der nächsten Generation

In Zukunft sollen sich mobile und nah am Körper getragene elektronische Geräte noch einfacher mit Energie versorgen lassen, selbst dann, wenn keine externe Strom­ver­sorgung zur Verfügung steht. Forscher des Leibniz-Instituts für photonische Techno­logien in Jena entwickeln dafür eine auf Textilien basierende autarke Energie­versorgung. Solche smarten Textilien nutzen die abgegebene menschliche Körperwärme und wandeln diese in Strom um. Ihre zudem kühlenden Eigen­schaften machen die neuartigen Materialien für sicherheits­relevante Anwendungen interessant und sorgen gleich­zeitig für erhöhten Trage­komfort und gesteigertes Wohl­befinden.

„Unsere Vision ist es, textile Materialien für die Energie­erzeugung zu nutzen. 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“, erläutert Jonathan Plentz vom Leibniz-IPHT.

Für die Energieerzeugung nutzen die Forscher thermo­elektrische Generatoren, welche die körper­eigene Wärme in elektrische Energie umwandeln. Dafür werden auf textilen Geweben Dünn­film­beschich­tungen in Form von aluminium­dotiertem Zinkoxid als thermo­elektrische Funktions­schicht aufgebracht. Durch Temperatur­unter­schiede zwischen der Haut­ober­fläche des Nutzers und der Umgebungs­temperatur oder mittels Industrie­abwärme konnten die Forscher thermo­elektrische Effekte mit Leistungen von bis zu 0,2 Mikrowatt messen. Der erzeugte Strom ließe sich in einem Akku speichern.

Die smarten Textilien können aber noch mehr: Der thermo­elektrische Effekt kann auch für die Kühlung mittels elektrischer Energie genutzt und so für Kühl­anwendungen und zur Temperatur­regulierung eingesetzt werden. Ein mögliches Anwendungs­gebiet sieht Plentz zum Beispiel 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.

Bei Versuchen konnte durch diese Peltier-Kühlung ein Temperatur­unterschied von bis zu zwölf Kelvin nachge­wiesen werden, was für textile thermo­elektrsiche Elemente einmalig ist. 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 medizinischen Umfeld zum Beispiel zur Fieber­senkung wichtig. Die Kühlung von Transport­gütern mittels funktio­na­li­sierter Textilien eröffnet weitere Anwendungs­felder.

Leibniz-IPHT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Schmidl et al.: Aluminum-doped zinc oxide–coated 3D spacer fabrics with electroless plated copper contacts for textile thermoelectric generators, Mat. Tod. Energy 21, 100811 (2021); DOI: 10.1016/j.mtener.2021.100811
• Photonische Dünnschichtsysteme (J. Plentz), Abt. Funktionale Grenzflächen, Leibniz-Institut für photonische Technologien e. V., Jena