Med hjärtat som elverk
Var vi än befinner oss omges vi av energi som skulle kunna driva små elektriska apparater och sensorer. Utmaningen är att fånga in den. Nu utvecklar svenska forskare en PACEMAKER som ska drivas av hjärtats egna slag.
Drygt 60 000 svenskar är beroende av sin pacemaker som ger hjärtat en livsviktig elektrisk impuls när det slår för långsamt. En dag fick Cristina Rusu, expert på mikrosystem på forskningsinstitutet Rise Acreo i Göteborg, ett samtal från en av dem.
– Han berättade hur glad han skulle bli om han slapp nya operationer för att byta batteriet på sin pacemaker. Det väckte starka känslor att höra hur mycket vårt projekt betyder för människor, säger hon.
Projektet, som mannen hört om, är ett EUprojekt med målet att ersätta pacemakerns batteri med energi från hjärtats slag. Cristina Rusu är en av flera svenska forskare som deltar i arbetet.
Hon visar ett rum med en mycket speciell skakmaskin. Den är specialbyggd för att testa de minimala kraftverk – energiskördare – som hon och hennes kolleger utvecklar för att omvandla hjärtats slag till elektricitet. Det lilla chippet är bara några millimeter. Cristina Rusu fäster det i skakmaskinen som bultar som ett hjärta.
Rörelsen upp och ner får det att börja hända saker inne i chippet. En minimal tyngd, osynlig för ögat och fäst i två fjädrar, börjar vibrera.
– Det är som att slå an en gitarrsträng, säger Cristina Rusu.
På fjädrarna sitter ett piezoelektriskt material. Det speciella med denna typ av material är att det alstrar elektricitet när det böjs och sträcks. Vibrationerna omvandlas på så sätt till el, som kan driva pacemakern så att den inte längre behöver något batteri. Energiskördaren ska sitta i en ny typ av pacemaker, som ser ut som en liten kapsel och som placeras inne i hjärtat. Det ger flera fördelar jämfört med en traditionell pacemaker som opereras in under ena nyckelbenet och där den elektriska impulsen leds via en elektrod till hjärtmuskeln.
Elektroderna behöver ibland bytas ut, men med en kapsel inne i hjärtat behövs ingen elektrod eftersom den kan påverka hjärtat direkt.
En annan fördel är att ingreppet blir mindre eftersom kapseln är så liten att den kan föras på plats via en ven.
Men det är ingen enkel uppgift som forskarna har gett sig i kast med. Det piezoelektriska materialet måste vara effektivt, eftersom energimängderna inte är särskilt stora. Det måste också anpassas till hjärtats förhållandevis långsamma slag. Energin som fångas in måste dessutom lagras och styras. Energilagret i form av en superkondensator utvecklas av forskare vid Chalmers tekniska högskola, medan den strömsnåla styrelektroniken tas fram på Linköpings universitet.
Hela paketet måste få plats i den trånga pacemakerkapseln som bara är några centimeter lång.
TIDIGARE EXEMPEL
Att använda gratis energi i liten skala från omgivningen är ingenting nytt, även om dagens metoder har krympt dramatiskt. Här är tre tidigare exempel: Cykellampa med dynamo Självuppdragande armbandsur Solcellsdriven miniräknare
– Det är en oerhörd utmaning, säger Thorbjörn Ebefors, vd på teknikkonsultföretaget Spinverse, en annan av deltagarna i projektet.
Tills nyligen ledde han Eu-projektet på företaget Silex, som är specialiserat på att tillverka minimala mekaniska strukturer som styrs av elektronik. Företaget har också utvecklat det piezoelektriska material som används i energiskördaren.
Även om drömmen är att ge pacemakern evigt liv, så kommer det att behövas ett litet reservbatteri, åtminstone till en början. – Tekniken får ju inte fallera, säger Thorbjörn Ebefors. När kan då den första pacemakern som återvinner energi från hjärtat finnas på marknaden? Svaret är att det dröjer flera år. I slutet av 2018 ska den första prototypen vara klar och innan tekniken kan testas på människor måste den genomgå flera djurförsök. Men projektet löper också längs ett annat spår, där utvecklingen går snabbare. Inom industrin ökar behovet av att kunna fånga energi från omgivningen i takt med att företagen samlar in mer och mer data, både från sina produkter och från produktionen. Målet är att övervakningen ska leda till säkrare produkter som kan tala om att de behöver underhåll innan de går sönder. Den nya energiskördaren kommer också att testas inom flyget. – Flygplanstillverkarna vill ha 10 000-tals sensorer som övervakar att det till exempel inte är sprickor eller is på vingarna, men då går det inte att dra kablar eller att springa runt och byta batterier, säger Thorbjörn Ebefors.
På sikt finns en oändlig marknad. Inte bara flygplan vibrerar och kan övervakas och kopplas upp med hjälp av sensorer. Bilar, broar, järnvägsvagnar och olika konsumentprylar ansluts till internet, en trend som kallas sakernas internet – The internet of things.
Telekomföretaget Ericsson spår att det 2022 kommer att finnas 29 miljarder internetuppkopplade saker av olika slag. Det ökar behovet av billiga och effektiva metoder för att skörda olika typer av energi från omgivningen, inte bara vibrationer.
På labb runt om i världen letar forskarna efter nya sätt att omvandla till exempel värme, friktion och radiovågor till elektrisk energi.
Cristina Rusu tänker ofta på hur mycket energi som finns runt omkring oss.
– Jag kan se tvättmaskinen skaka eller höra brummandet från frysen. Då tänker jag på all energi som går förlorad, säger hon. l