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Biomechanik: Wippender Wundersack

Vielen Zivilisationsmenschen ist das Bangen um den Ladezustand des Handyakkus wahrscheinlich vertrauter als die Sorge um die nächste Mahlzeit. Geht's nach amerikanischen Forschern, hat das bald ein Ende - wenn man bereit ist, dafür einen Ranzen auf dem Rücken in Kauf zu nehmen.
Skelett
Ein Wackeldackel ist ein ziemlich bedürfnisloses Geschöpf. Für seine nickenden Kopfbewegungen, die er üblicherweise auf der Hutablage eines Autos vorführt, fordert er keine Leckerlis wie Trockenfutterkringel. Ihm genügen die unvermeidlichen Erschütterungen des fahrenden PKWs als Energiequelle für sein – zugegeben – recht einfaches mechanisches Kunststück.

Lawrence Rome, Professor für Biomechanik an der Universität von Pennsylvania beschäftigt sich nicht mit Hunden, sondern damit, wie trickreich Fische und Frösche ihre Muskeln gebrauchen. Da war die Bitte, mit der die Forschungsabteilung der US-Navy während des Afghanistan-Krieges 2001 an ihn herantrat, eher ungewöhnlich.

Die Militärstrategen beunruhigte der Umstand, dass die ohnehin schon schwer beladenen Soldaten noch einmal gut zehn Kilogramm an Reservebatterien für ihre Hightech-Ausrüstung wie mobiles GPS-System, Nachtsichtgeräte und für Apparaturen zur Kommunikation oder Wasseraufbereitung mitschleppen müssen. Ob es nicht einen Weg gebe, die mechanische Energie des Marschierens in elektrische umzuwandeln und damit leichtgewichtige Akkus aufzuladen, fragten sie den Biologen.

Superrucksack | Der Rucksack wird auf die elastische Apparatur geschnallt. Die Federn bewegen die gezähnte Stange (grün) und treiben so den oben befestigten Generator an.
Romes Team überlegte, tüftelte und stellt nun die Lösung vor: den Prototyp eines Rucksacks, der beim Wandern Elektrizität erzeugt [1]. Der Tornister wird dazu auf ein Tragegestell geschnallt, an dem er auf elastischen Schienen im Rhythmus der Schritte auf und ab gleitet. Dabei dehnen und kontrahieren sich elastische Sprungfedern und treiben mit diesen zyklischen Verformungen einen kleinen Generator an.

Bis zu 7,4 Watt leistet dieser dann kontinuierlich bei zügigem Wandertempo. Genug, um die Akkus aller mittransportierten Geräte gleichzeitig aufzuladen. Allerdings muss dazu die wippende Huckepacklast schon 38 Kilogramm auf die Waage bringen. Um Mobiltelefon und MP3-Player eines Trekkingtouristen mit Strom zu versorgen, genügen aber bereits geringere Lasten.

Als weitere Zielgruppe für seinen Superrucksack hat Rome Feldforscher, die fernab der Zivilisation arbeiten, und Katastrophenhelfer in unwegsamen Gebieten im Visier. Die Patentverfahren für Romes Erfindung laufen, und inzwischen arbeitet er an einer ergonomisch verbesserten Version des Protoytyps, die er über seine gerade gegründete Firma vertreiben will.

Testwanderer | Testperson beim Messen des Energieverbrauchs mit Atemmaske und die Mechanik des Rucksacks im Computermodell
Rome maß außerdem bei Testwanderern den Energiekonsum, beispielsweise anhand des Sauerstoffverbrauchs – einmal mit dem auf und ab gleitenden Gepäck und einmal mit dem Rucksack in fixer Position. Die Effizienz des Energie fördernden Transportsystems erstaunte auch andere Biomechaniker wie Arthur Kuo von der Universität von Michigan [2]. Denn der Mehraufwand an Muskelarbeit zum Antreiben des Generators war so gering, dass die Faustregel, nach der Muskeln metabolische Energie mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent in mechanische Energie umwandeln, nicht griff.

Kuo gibt zu, dass er dies nicht ganz versteht. Das mag am recht groben gängigen Modell für die Mechanik der menschlichen Fortbewegung liegen. Kuo vergleicht das Gehen mit einem auf den Kopf gestellten Pendel. Dabei schwingt der Körperschwerpunkt an den als starr gedachten Beinen bogenartig nach vorne, sodass die Hüfte sich immerfort um einige Zentimeter auf und nieder bewegt. Das nachwippende Gepäck folgt dem Schwung der Hüfte etwas verzögert und unterstützt dabei vielleicht – so stellt es sich Kuo vor – die jeweils nächste Vorwärtsbewegung ein Stück weit.

Jedenfalls "kann man den geringen Mehraufwand leicht durch einen kleinen Snack ausgleichen", meint Rome. Das falle im Vergleich zu den bisher üblichen Ersatzbatterien sicher nicht ins Gewicht. Denn "pro Pfund enthält Nahrung einfach hundertmal mehr Energie als Batterien".

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