Naar de content

Overal elektriciteit, maar nergens batterijen

Delftse wetenschappers zoeken naar manieren om ‘gratis energie’ te oogsten

Een luchtfoto van een vrouw die op haar laptop werkt in een woonkamer.
Een luchtfoto van een vrouw die op haar laptop werkt in een woonkamer.
Pexels

Van de bewegingen die je maakt, tot het licht dat op de muur valt – het barst van gratis energie in onze wereld. Onderzoekers van de TU Delft werken aan een batterijloze technologie om deze energie te benutten. Een door hen ontwikkelde GameBoy toont aan dat het werkt.

20 december 2021

Op deze GameBoy draait het spel Tetris. De energie is afkomstig van zonnecellen, die rondom het beeldscherm zitten, en van het indrukken van de knoppen voor de besturing.

 Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Het moet 25 jaar geleden zijn geweest dat ik Super Mario Land voor het laatst speelde. Het was het eerste spelletje dat ik voor de GameBoy kreeg en ik was door het dolle heen. Nu heb ik de spelcomputer weer in mijn hand en dirigeer ik Mario naar rechts door een wereld van piramides en uit de grond stekende pijpen. Mijn eerste vijand verschijnt rechts in beeld. Ik spring en … terwijl Mario nog in de lucht hangt, valt de GameBoy uit. Shit, had ik als kind gedacht. Nu wacht ik geduldig. Plots springt de computer weer aan en zeilt Mario naar beneden, recht op het hoofd van de vijand. Dood.

De reden dat deze spelcomputer even op zwart ging, is dat hij zonder stroom kwam te zitten. Deze GameBoy heeft geen batterij, maar haalt zijn stroom voor zo’n 70 tot 85 procent uit zonnecellen die rondom het beeldscherm zitten, en voor het overige deel uit de knoppen die ik indruk tijdens het spelen. Blijkbaar is er in mijn omgeving net te weinig licht. De reden dat de GameBoy exact verder gaat op het punt waar hij was gebleven , zit naast mij: Jasper de Winkel, promovendus aan de TU Delft. Hij probeert samen met collega’s apparaten te maken die niet alleen volledig draaien op energie die wordt gewonnen uit de omgeving, maar ook bestand zijn tegen de onregelmatige energietoevoer die dat met zich meebrengt.

Het ontwikkelen van een GameBoy was geen doel op zich voor de Delftse onderzoekers. Ze maakten het ding om te laten zien wat er mogelijk is met hun batterijloze technologie. Uiteindelijk moet dit concept toepassing vinden in de talloze apparaten en sensoren die steeds dieper tot onze wereld doordringen. Van apparaten voor bijvoorbeeld monitoring van temperatuur en luchtkwaliteit in huis tot de draadloze gadgets die we gebruiken, en medische sensors in onze kleding waarmee we ons lichaamsfuncties in de gaten houden. De techniek voorkomt dat we straks continu bezig zijn om batterijtjes op te laden of te verwisselen. En het vermindert de enorme berg batterijen, waarvan nog maar de vraag is of we die allemaal fatsoenlijk zullen inzamelen en recyclen.

Super Mario Land op de batterijloze GameBoy.

Razendsnel back-uppen

Dat een apparaat bij een stroomonderbreking precies verder gaat op het punt waar hij was gebleven, is niet vanzelfsprekend. Trek de stekker heel even uit je pc en kijk wat er gebeurt: de computer start opnieuw op. Hetzelfde geldt voor een mobiele telefoon – veel modellen hebben overigens geen verwijderbare batterij – want het besturingssysteem wordt geladen samen met de programma’s. Ik hoop overigens dat je voor dit experiment het werk waar je mee bezig was, hebt opgeslagen, want anders is ook dat verdwenen.

De GameBoy van de TU Delft slaat wél alles op, volautomatisch en niet alleen documenten en spelletjes. “Het maakt een kopie van de toestand van het hele systeem”, zegt De Winkel. “Dat past bij deze GameBoy in een bestand van enkele kilobytes.” Zodra er weer stroom is, herstelt het systeem zich vanuit dit bestand. Een computer voert in feite een set instructies uit en als je die reeks instructies weer klaarzet in het geheugen, dan gaat hij gewoon verder waar hij gebleven was. “Zo’n kopie wordt alleen gemaakt bij een dreigend stroomtekort; continu back-uppen zou veel energie kosten”, aldus De Winkel.

Nooit meer lege batterijen

Geweldig, denk je nu misschien, nooit meer hannesen met batterijen, nooit meer opladen, alles doet het áltijd! Maar De Winkel en zijn begeleider Przemysław Pawełczak temperen de verwachtingen. Er zijn fundamentele limieten aan hoeveel ‘overtollige’ energie er uit onze wereld is te persen. De GameBoy gebruikt enkele milliwatts, wat erg zuinig is. Het vermogen van een toch al redelijk zuinige ledlamp is genoeg voor duizenden van deze GameBoys. En dat terwijl de spelcomputer in de wereld van De Winkel en Pawełczak al een ‘grootverbruiker’ is; de apparaatjes en sensors die ze met omgevingsenergie willen voorzien, gebruiken nog minder, iets in de orde van enkele microwatts (een duizendste van een milliwatt).

Zo weinig energie verbruiken ook de chips in chipkaarten, voor bijvoorbeeld het openbaar vervoer of pinpassen. Deze bevatten géén batterij en halen hun energie uit een elektrisch veld van de kaartlezer: het poortje bij het station of de betaalterminal in de winkel. Draagbare apparaten zouden ook energie kunnen tappen uit beweging of warmteverschillen, maar dat is niet genoeg voor grotere apparaten.

Zonne-energie heeft de meeste potentie. Ter illustratie doe ik een rekensom op de achterkant van een envelop: het oppervlak van een moderne mobiele telefoon (7 bij 15 centimeter) met zonnecellen van silicium (zo’n 20 procent efficiënt) wekt in de volle zon ongeveer 2 watt aan vermogen op. Dat is waarschijnlijk voldoende om een telefoon van energie te voorzien, maar let wel: zodra het bewolkt is of je een zware app draait, dan is het al te weinig. De Winkel denkt ook niet dat deze techniek snel toepasbaar is in mobiele telefoons en laptops. “De steeds grotere schermen en snelle processoren verbruiken ook steeds meer energie. Wellicht is de techniek geschikt voor een tag waarmee je sleutels kunt terugvinden, of een eenvoudige smartwatch waarop je berichten kunt lezen”, zegt De Winkel.

Sowieso moet je goed nadenken voor welk soort apparaten je dit type energievoorziening inzet. Een door bewolking onderbroken telefoongesprek is niet praktisch. En je wilt niet dat een reanimatie niet lukt, omdat de defibrillator leeg is. Voor essentiële systemen is de techniek niet geschikt.

Ontelbare apparaten

Als ik zo rondkijk op mijn bureau, dan zie ik zes apparaten die batterijen gebruiken. Denk aan een draadloze hoofdtelefoon, een computermuis, een apparaatje om toegang te krijgen tot de bank en een laptop.

Volgens stichting Stibat die verantwoordelijk is voor de inzameling van batterijen in Nederland, steeg het aantal verkochte (draagbare) batterijen van 8,76 miljoen kilogram in 2016 tot 10,89 miljoen kilogram in 2020. Dat is een stijging van ruim 24 procent.

 Peter Miller via CC BY-NC-ND 2.0

De batterijtjes in die apparaten zijn misschien klein, maar bij elkaar opgeteld kom je op een enorme hoop batterijen. Er ligt misschien wel een milieuramp op de loer, want als je denkt dat er nú al veel elektronica is, dan kun je je borst natmaken: voorspellingen zeggen dat er straks een veelvoud van elektronische apparaten is. Biljoenen apparaten – let wel, dat zijn er dus duizenden per aardbewoner. Vaak zijn dat kleine sensoren, maar ook die hebben elektriciteit nodig. Het vervangen of opladen van lege batterijen zou dan een dagtaak zijn. Wellicht zou een deel van die apparaten energie kunnen aftappen uit de omgeving.

De Winkel zegt dat toepassing van de techniek ook afhankelijk is van een rendabel economisch model. Een ingebouwde zonnecel maakt een apparaat doorgaans duurder. “Maar stel dat je een zonnecel in een afstandsbediening stopt, dan bespaar je ook een hoop telefoontjes naar de helpdesk: veel mensen bellen omdat hun tv kapot is, terwijl eígenlijk de batterijen van de afstandsbediening op zijn. Dit idee kan op verschillende manieren renderen.”

ReactiesReageer