Merfach-S-förmige anordnung von rechteckigen, falchen Profilen

Herzschlag soll Strom für Schrittmacher liefern

Ann Arbor (USA) – Jedes Jahr werden allein in Deutschland etwa 70.000 Herzschrittmacher implantiert. Obwohl sie wenig Strom benötigen, muss ihre Batterie nach einigen Jahren in einer kleinen Operation gewechselt werden. Künftig jedoch soll ein implantiertes Kraftwerk, das die Bewegungen von Herzschlag und Atmung in Strom wandeln kann, einen langlebigen Akku aufladen und so erneute Eingriffe überflüssig machen. Das Konzept für ein solches Herzschlag-Kraftwerk präsentierten nun Forscher in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“.

„Der Strombedarf für Herzschrittmacher ist sehr gering“, sagt Amin Karami von der University of Michigan in Ann Arbor. Daher konzipierte er zusammen mit seinem Kollegen Danial Inman ein Herzschlag-Kraftwerk, das mit dem Schrittmacher implantiert werden und einen Akku als Stromquelle zuverlässig über viele Jahre aufladen soll. Eine Simulation zeigte, dass ein solches Kraftwerk auf der Basis piezoelektrischer Module möglich ist. Diese wandeln die mechanischen Bewegungen von Herzschlag und Atmung in elektrischen Strom. Allerdings erwies sich die Ausbeute von heute verfügbaren Piezomodulen, etwa aus Blei-Zirkonat-Titanat, als zu gering.

Doch mit einer Zick-Zack-Anordnung von nur drei Mikrometer dünnen piezoelektrischen Elementen kann dieses Problem gelöst werden. Denn aufgrund dieser geschickten Geometrie könnten Vibrationen in allen Raumdimensionen zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Berechnungen von Karami und Inman ergaben, dass bei einer normalen Herzschlagfrequenz von 60 Schlägen pro Minute eine Leistung von acht Mikrowatt erreicht werden könnte. Dabei müsste das Herzschlag-Kraftwerk gerade mal halb so groß sein wie der Schrittmacher selbst.

Dieser Entwurf eines implantierbaren Kraftwerks kann theoretisch achtmal soviel Strom liefern wie ein Herzschrittmacher benötigt. Doch nun muss ein erster Prototyp diese Berechnungen bestätigen, um danach in der Praxis getestet werden zu können. Bis ein völlig autarker Herzschrittmacher reif für den Einsatz wäre, sind daher noch einige Entwicklungsjahre nötig.