Energy Harvesting Dehnbares Gelpflaster wandelt Bewegung in Strom um

Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Transparent, sehr dehnbar und biologisch verträglich – diese Kombination zeichnet ein neues Material aus, mit dem aus Alltagsbewegungen Strom erzeugt werden kann. Damit soll es beispielsweise möglich werden, beim Gehen direkt Strom zu gewinnen.

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Energy Harvesting: Ein an der Chinese Academy of Science in Peking entwickeltes Gel wandelt Bewegung in elektrische Energie um.
Energy Harvesting: Ein an der Chinese Academy of Science in Peking entwickeltes Gel wandelt Bewegung in elektrische Energie um.
(Bild: Xiong Pu / Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems)

Entwickelt haben es Wissenschaftler um Zhong Lin Wang von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking (China). Da das Material auch elektrischen Strom generiert, wenn es gedrückt wird, könne es zugleich als Drucksensor verwendet werden, der sich selbst mit Energie versorgt. Anwendungsbereiche sehen die Forscher bei künstlicher Haut, weichen Robotern oder elektronischer Kleidung.

Beim Energy Harvesting werden aus Temperaturunterschieden oder alltäglichen Bewegungen, etwa von Menschen oder Maschinen, geringe Mengen elektrischer Energie gewonnen, die für kleine mobile Geräte ausreicht. Eine Möglichkeit dieser Energiegewinnung bietet der sogenannte triboelektrische Effekt. In zwei Materialien entstehen dabei elektrische Ladungen, wenn sie erst in Kontakt stehen und dann voneinander getrennt werden. Diese elektrostatischen Ladungen können dann durch sogenannte Induktion in einem elektrischen Leiter einen Strom erzeugen.

Wang hat bereits vor Jahren einen solchen triboelektrischen Nanogenerator namens Teng entwickelt. Die Weiterentwicklung heißt Steng (s für skin, Haut) und ist zu etwa 96 Prozent durchsichtig. Außerdem könne ein etwas mehr als zwei Millimeter dickes Steng auf mehr als das Zehnfache seiner Länge gedehnt werden – und liefere dann sogar mehr Energie als im ungedehnten Zustand, schreiben Wang und Kollegen im Fachjournal Science Advances.

Möglich macht diese besonderen Eigenschaften ein spezieller elektrischer Leiter: Ein Hydrogel mit Polyacrylamid, das Lithiumchlorid enthält. In dem Hydrogel werden Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle) zu Trägern des elektrischen Stroms, immer wenn der umgebende Kunststoff bewegt oder gedrückt wird. Dieser Kunststoff ist entweder das transparente Polydimethylsiloxan oder ein Stoff für ein bestimmtes Doppelklebeband, das extrem dehnbar ist.

Wang und Kollegen erreichten mit dem Steng in einem offenen Stromkreis eine Spannung von bis zu 145 Volt und eine Leistungsdichte von 35 Milliwatt pro Quadratmeter. Sowohl die Kunststoffe als auch das Hydrogel seien sehr leicht und sehr preiswert, schreiben die Forscher: "Es ist auch möglich, das Steng in beliebigen, komplizierten Formen zu entwerfen, solange ein dünner Elastomerfilm die Hydrogele umschließt oder abdichtet."

Die Transparenz und das ionengefüllte Hydrogel als Elektrode seien tatsächlich etwas Neues, sagt Peter Woias von der Universität Freiburg, der nicht an der Studie beteiligt war. Allerdings hat er Zweifel daran, dass das Steng eine sehr breite Anwendung erfahren wird. "Wenn man einen Druck ausüben muss, der zwölf Kilogramm entspricht, um 40 Mikrowatt zu erzeugen, dann gibt es sehr viel effizientere Methoden." Vielleicht käme der Stromerzeuger für Schuhe in Frage, bei denen solche Kräfte regelmäßig auftreten. Unklar sei auch, wie haltbar triboelektrische Nanogeneratoren auf Dauer seien, gibt Woias zu bedenken. Dennoch könnten sich Nischen für das Steng ergeben, da die Herstellung sehr kostengünstig sei.

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