highlights

Kan de campus op menselijke spierkracht draaien?

Door november 17, 2016 Geen commentaar

In tegenstelling tot zonne-energie en windenergie is menselijke spierkracht altijd beschikbaar, ongeacht het seizoen of het uur van de dag. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen is menselijke spierkracht dan weer een schone energiebron, die bovendien alleen maar toeneemt naarmate de bevolking groeit.

In de Human Power Plant onderzoeken Melle Smets en Kris De Decker de mogelijkheden van menselijke energieproductie in een moderne maatschappij. Hoe zou de campus eruit zien als alle elektriciteit door studenten wordt opgewekt?

De Human Power Plant is zowel een technische als een sociale uitdaging. Technisch, omdat er nauwelijks wetenschappelijk en technologisch onderzoek is verricht naar door mensen aangedreven machines. Sociaal, omdat menselijke spierkracht als enige energiebron gemotiveerd moet worden om energie te leveren.
In een eerste fase gaan we informatie verzamelen en een netwerk van experts opbouwen op de campus. Met die kennis bouwen we vervolgens een prototype van een door studenten aangedreven machine — de eerste stap naar een volledig op spierkracht werkende campus.

De lange geschiedenis van menselijke spierkacht

Gedurende het grootste deel van de geschiedenis was de mens zelf de belangrijkste bron van mechanische energie. Het bouwen van steden, het graven van kanalen, de productie van voedsel, het wassen van kleren, het maken van meubilair, het organiseren van communicatie en transport: het gebeurde allemaal grotendeels met menselijke spierkacht als energiebron.

Paarden, ossen en zelfs honden werden ingezet als extra energiebron voor transport, landbouw of andere doeleinden, terwijl windmolens en watermolens vanaf de late middeleeuwen werden gebruikt voor het malen van graan. Maar het gros van het werk leverden we gewoon zelf. Alleen voor het leveren van thermische energie rekende de mens op brandstoffen: het verbranden van hout en turf zorgde voor verwarming, koken en industriële processen zoals zout- en glasproductie.

Vandaag speelt menselijke spierkracht vrijwel geen enkele rol meer in de productie van mechanische energie. Die wordt nu grotendeels geleverd door fossiele brandstoffen, ofwel als primaire brandstof (bijvoorbeeld in het geval van de auto) of als energiebron voor de productie van elektriciteit, waarmee vervolgens miljoenen soorten machines en toestellen worden aangedreven. Doorheen de twintigste en eenentwintigste eeuw werd spierkracht steeds minder belangrijk. Zelfs de miniemste fysieke inspanningen zijn nu vervangen door een alternatief met een snoer of batterijen.

Voordelen van menselijke spierkracht

Deze “vooruitgang” heeft een prijs. De moderne samenleving is voor haar dagelijkse functioneren volledig afhankelijk van fossiele brandstoffen en elektriciteit. Fossiele brandstoffen als steenkool en gas zijn niet oneindig voorradig en daarbij veroorzakers van veel problemen zoals klimaatverandering, luchtvervuiling, bodemdegradatie en geopolitieke spanningen.

Er wordt veel hoop gesteld in alternatieve energiebronnen zoals wind- en zonne-energie, maar hoewel die een onderdeel van de oplossing kunnen zijn, kleven er ook bezwaren aan. Ten eerste zijn wind en zon niet altijd beschikbaar, en kan het aanbod van hernieuwbare energie aanzienlijk verschillen alnaargelang het seizoen — zo is er ‘s winters in Nederland ongeveer tien keer minder zonne-energie dan ‘s zomers. Bovendien zijn er fabrieken en fossiele brandstoffen nodig om zonnepanelen en windturbines te bouwen.

kris-in-de-fitness

De mens: een hernieuwbare energiebron met ingebouwde energie-opslag.

Menselijke spierkracht is een energiebron die deze nadelen niet heeft. In tegenstelling tot wind- en zonne-energie, en net zoals fossiele brandstoffen, is menselijke spierkracht op afroep beschikbaar. Ze is niet afhankelijk van de seizoenen en het weer: de mens is een hernieuwbare energiebron met ingebouwde energie-opslag. Bovendien moet een mens, in tegenstelling tot een zonnepaneel of een windturbine, niet eerst in een fabriek worden gemaakt.
Ook tegenover fossiele brandstoffen heeft menselijke spierkracht belangrijke voordelen: ze is niet ontvlambaar, produceert geen luchtvervuiling, en is oneindig beschikbaar, tenminste zolang er mensen zijn. Het is ook de enige energiebron die toeneemt naarmate er meer mensen zijn, terwijl andere energiebronnen over een steeds groeiende wereldbevolking moeten worden verdeeld.

Hoeveel energie kan een mensenlichaam produceren?

Hoeveel energie kan een mens produceren? De wetenschappelijk literatuur hanteert meestal een vermogen van 75 tot 100 watt, wat een “gemiddelde, gezonde” mens voor “onbepaalde” tijd kan volhouden. Dat vermogen komt overeen met de opbrengst van een zonnepaneel van 1 m2 op een zonnige zomerdag in België of Nederland, of met 10 m2 zonnepanelen op een donkere winterdag.

Het potentieel van menselijke spierkracht wordt bepaald door drie factoren: de mens zelf, de duur van de inspanning, en de mechanische hulpmiddelen die worden gebruikt om menselijke spierkracht om te zetten in arbeid — menselijke energieproductie is vrijwel altijd een symbiose tussen mens en machine. Onze benen zijn ongeveer vier keer sterker dan onze armen, zodat een mens op een stationaire fietsmachine meer energie kan opleveren (75 tot 100 watt) dan met een handslinger (10 tot 30 watt).

Tijdens kortere krachtinspanningen kan het door de mens opgewekte vermogen verdubbelen of verdrievoudigen: tot 500 watt op een fiets en tot 150 watt met een handslinger over een periode van 1 minuut. Leeftijd, geslacht en vooral conditie spelen echter ook een belangrijke rol. Atleten kunnen hogere vermogens leveren gedurende een langere tijd — tot meer dan 2.000 watt gedurende drie seconden, of 400 watt gedurende een uur.

buikspieroefeningen

melle-is-een-buikmens

Buikspieroefeningen. Kris is een “rugmens”, Melle een “buikmens”.

Hoewel deze gegevens een idee geven van wat een mens aan energie kan produceren, blijven er veel vragen. Aangezien spierkracht geen rol meer speelt in het dagelijkse leven, heeft de wetenschap er ook weinig aandacht voor. Er is een enorme kennis rond lichamelijke gezondheid, maar de waarden en de aandacht zijn verschoven naar esthetiek en gezondheid.

Alleen in de sport wordt nog onderzoek gedaan maar de optimalisatie van het lichaam voor topprestaties. De komende maanden gaan we daarom samenwerken met de Olympus sportschool en het UMC Sportgeneeskunde op de campus, en zoeken we het antwoord op de vraag hoe de mens het best als energieproducent kan worden ingezet.

We willen ook weten hoeveel energie we zelf kunnen produceren. Daarom hebben we ons ingeschreven in een fitness-centrum, waar we een trainingsprogramma volgen dat gericht is op energieproductie. Dat heeft al een aantal belangrijke inzichten opgeleverd, zoals het belang van individuele verschillen.

Melle, de krachtpatser in ons team, kan op bijna elk toestel een hoger gewicht in beweging krijgen. Maar Kris blijkt een beter uithoudingsvermogen te hebben, en wint van Melle als de rugspieren of de triceps worden geoefend. Volgens Franklin van Doesburg, expert in bewegingsanalyse, is Kris een “rugmens” en Melle een “buikmens”. Hij hamert erop dat mensen verschillend zijn en bijgevolg moet een optimale energieproductie ook rekening moeten houden met die verschillen — er is geen pasklare oplossing.

Hoe motiveren we mensen om energieproducent te worden?

Zoals vermeld is het grote voordeel van menselijke spierkracht dat ze in principe altijd beschikbaar is. Maar in tegenstelling tot een windmolen, een zonnepaneel of een vat olie moet een menselijke energiebron wel gemotiveerd worden om energie te produceren. Gaat iedereen uit eigen beweging elektriciteit opwekken voor eigen gebruik? Gaan we anderen betalen om dat te doen? Of gaan we anderen dwingen om elektriciteit te produceren?

Met een financiële beloning redden we het in elk geval niet, want gerekend aan de huidige stroomprijs in Nederland zou een student slechts 0,015 euro per uur verdienen. Dus tenzij het milieubewustzijn spectaculair zou toenemen, zet het gebruik van spierkracht de deur open naar een nieuwe vorm van slavernij. Valt die goed te praten in naam van een beter milieu? Kunnen we vluchtelingen inzetten om elektriciteit te produceren? Het zijn pertinente vragen, want de geschiedenis van menselijke spierkracht als energiebron is ook de geschiedenis van de slavernij. Vandaag importeren we olie, vroeger importeerden we slaven.

zweep

Gaat iedereen uit eigen beweging elektriciteit produceren voor eigen gebruik? Gaan we anderen betalen om dat te doen? Of gaan we anderen dwingen om elektriciteit op te wekken?

Gelukkig is er een derde mogelijkheid. We kunnen mensen proberen motiveren door het opwekken van energie leuk en opwindend te maken. Bij de weinige machines voor menselijke energieproductie die nu commercieel verkrijgbaar zijn, ligt de nadruk vrijwel volledig op energie-efficiëntie. Er is geen aandacht voor motivatie. Een fietsmachine is erg efficiënt voor de productie van menselijke energie, maar in het fitnesscentrum bleek al gauw hoe ontzettend saai stationair fietsen wel niet is.

Handslingers zijn dan weer zo compact mogelijk gemaakt, wat ze alleen maar geschikt maakt voor noodgevallen. Het gebruik ervan is niet leuk genoeg om er een dagelijkse praktijk van te maken. We gaan daarom op zoek naar manieren om menselijke energieproductie zodanig te organiseren dat studenten in de rij staan om energie te leveren. Dat doen we in samenwerking met het Instrumentarium op de campus, en met Go Ape, een initiatief van Pim Rooymans dat menselijke energie onder de aandacht brengt met originele installaties.

Kan de moderne maatschappij draaien op menselijke spierkracht?

Kunnen we met alleen maar spierkracht een moderne levensstijl volhouden? Op het eerste gezicht lijkt het antwoord negatief te zijn, gezien het enorme energieverbruik in geïndustrialiseerde landen. Maar bij nader inzien is het antwoord een stuk genuanceerder. Nogal wat hoogtechnologische apparaten kunnen prima worden aangedreven met spierkracht. Een uur fietsen is genoeg om vier uur op een laptop te kunnen werken, of om acht uur lang een LED-bureaulamp op te lichten.

Zelfs een flatscreen televisie kan met spierkracht worden aangedreven; een uur trappen komt ongeveer overeen met een uur televisie kijken. Een “domme” mobiele telefoon laad je op een paar minuten op met een handslinger. Interessant is dat, naarmate digitale technologie steeds energie-efficiënter wordt, het ook steeds realistischer wordt om ze met menselijke energie te doen werken.

Andere toestellen zijn veel moeilijker te verzoenen met spierkracht. Dat geldt in de eerste plaats voor alle apparaten die hitte opwekken: broodroosters, kookfornuizen, waterkokers. Warmte opwekken door middel van elektriciteit is bijzonder inefficiënt, zodat deze toestellen al gauw 1.000 watt en meer verbruiken. Een sneetje brood roosteren met spierkracht is alleen maar weggelegd voor atleten.

melle-oefent-triceps

Naarmate digitale technologie steeds energie-efficiënter wordt, wordt het ook steeds realistischer om ze met menselijke energie te doen werken.

Slaan we de elektriciteit op in een batterij, dan kan iedereen het. Maar het kost dan wel grofweg een half uur fietsen alvorens de toast klaar is. Je kan daaruit besluiten dat menselijke spierkracht tekort schiet als energiebron, maar je kan je evengoed afvragen of het probleem niet bij de moderne technologie ligt.

Neem bijvoorbeeld de Trophy van ontwerper Pierre-Clement Niviere, een opstelling die bestaat uit een 3D-printer en een energiefiets om die machine aan te drijven. De ontwerper slaagt erin om een 3D-figuurtje te printen met de energie die hij zelf opwekt, maar het kost hem wel veel zweet. Is menselijke spierkracht dan ondoeltreffend om een moderne samenleving te doen functioneren? Of is er misschien iets mis met het concept van de 3D-printers?
Want de ontwerper zou natuurlijk ook gewoon hetzelfde figuurtje in klei of een ander materiaal kunnen boetseren, en dat kost helemaal geen elektriciteit. Hetzelfde geldt voor de broodrooster of het elektrisch kookfornuis: waarom thermische energie omzetten in elektrische energie en dan opnieuw in thermische energie als je ook gewoon een sneetje brood boven een vuur kan roosteren?

Leren uit de geschiedenis

We kunnen veel leren uit de geschiedenis. Menselijke spierkracht werd doorheen de geschiedenis nooit ingezet voor het leveren van thermische energie, dus waarom zouden we dat nu wel doen? Bovendien werd menselijke energie niet omgezet in elektriciteit, maar rechtstreeks gebruikt als mechanische energie. Ook vandaag zouden heel veel machines efficiënter door spierkracht kunnen worden aangedreven met een directe mechanische aandrijving.

Je kan elektriciteit opwekken om daarmee een elektrische boormachine of wasmachine aan te drijven, maar je kan ook gewoon een mechanische handboor of wasmachine gebruiken, wat veel energie-efficiënter is. Bij het omzetten van kinetische energie naar elektriciteit (door middel van een generator) en van elektriciteit naar kinetische energie (door middel van een motor) gaat al gauw een kwart van de geleverde energie verloren.

fitnesscentrum-of-energiecentrale

Hoeveel mensen hebben we nodig om de campus op spierkracht te doen draaien?

Tot slot kan het zelf opwekken van energie er ook voor zorgen dat mensen zich bewuster worden van hun energieverbruik en vervolgens minder energie gaan verbruiken. Een gedragsaanpassing is hoedanook een vereiste om spierkracht opnieuw een kans te geven. Als we het grotendeels leegstaande Van Unnikgebouw op de campus zouden ombouwen tot energiecentrale, met op elk van de twintig verdiepingen honderd stationaire fietsers, dan levert dat een energiecentrale op van 150 kilowatt.

Dat is nog geen 2% van het elektrische vermogen dat de campus nodig heeft, wat betekent dat we 50 van deze energiecentrales nodig hebben, met in totaal 100.000 mensen. Bovendien kan niemand 24 uur per dag energie produceren, dus hebben we drie keer zoveel mensen nodig, die elk 8 uur per dag energie leveren in drie ploegen.
Er zullen dus radicale keuzes moeten worden gemaakt over welke machines wel en welke machines geen bestaansrecht meer hebben. In overleg met studenten en professoren willen we daarom uitzoeken hoe een campus op spierkracht er uit zou kunnen zien. Dat het kan, weten we zeker: ook voor de Industriële Revolutie waren er universiteiten.

Bovendien is het gebruik van hernieuwbare energiebronnen net zo onrealistisch als het gebruik van spierkracht. Bij het begin van het project hebben we uitgerekend hoeveel ruimte er nodig zou zijn als de campus alleen maar op hernieuwbare energiebronnen zou draaien, zoals biomassa en zonnepanelen. Daaruit bleek dat de campus zodanig zou moeten uitbreiden dat de hele stad Utrecht en omgeving zou worden opgeslokt.