Energy Harvesting

Herz erzeugt Strom

Wissenschaftler in den USA haben einen Nanogenerator entwickelt, der künftig medizinische Implantate mit Strom versorgen soll. Der Generator besteht aus einem Nanodraht aus Zink, der am Herz oder am Zwerchfell befestigt wird. Die Forscher haben das System erfolgreich an einer Ratte getestet.

Medizinische Implantate könnten in Zukunft von ihren Trägern mit Strom versorgt werden: Wissenschaftler des Georgia Institute of Technology haben ein Energy-Harvesting-System entwickelt, das mit Muskelkraft betrieben wird - allerdings nicht mit der Kraft der Arm- oder Beinmuskeln. Stattdessen sollen Herz oder Zwerchfell den Strom erzeugen.

Zinkdraht in Polymerhülle

Die Generatoren sind Nanodrähte aus Zink, die durch den piezoelektrischen Effekt Strom erzeugen: Werden die Nanodrähte verformt, wandeln sie mechanische Energie in elektrische. Die Nanodrähte werden dann in eine Hülle aus einem flexiblen Polymer eingebettet, um sie vor den Körperflüssigkeiten zu schützen. Am Herzmuskel oder dem Zwerchfell angebracht, werden die Nanodrähte gedehnt und erzeugen elektrischen Strom.

Die Wissenschaftler um Zhonglin Wang haben das System an Ratten erfolgreich getestet, berichten sie in einem Aufsatz in dem deutschen Fachmagazin Advanced Materials. Wurde der Nanogenerator mit dem Zwerchfell verbunden, lieferte er vier Picoampere bei zwei Millivolt. Der Herzschlag der Ratte lieferte 30 Picoampere bei drei Millivolt.

Mehr Drähte für mehr Strom

Das ist noch zu wenig, um Wangs Ziel zu erreichen, medizinische Implantate zu konstruieren, die sich selbst mit Strom versorgen. Nächster Schritt der Forscher wird es deshalb sein, einen leistungsfähigeren Generator zu bauen. Das wollen sie durch eine höhere Zahl von Nanodrähten erreichen - der aktuelle Prototyp besteht aus einem einzigen Nanodraht.

Dass leistungsfähigere piezoelektrische Nanogeneratoren aus Zinknanodrähten möglich sind, haben Wang und sein Team bereits gezeigt: Im Frühjahr präsentierten sie einen Sensor, der sich selbst mit Strom versorgt. Dessen Generator besteht aus einer Anordnung von rund 20.000 Nanodrähten, die 100 Nanoampere bei 1,2 Volt liefern.

Energie aus der Umgebung

Generator und Sensor im Nanoformat ermöglichten den Bau sehr kleiner Sensoren, die sich selbst über das sogenannte Energy Harvesting mit Energie versorgen. Diese wird dabei aus der unmittelbaren Umgebung, etwa aus Vibrationen, Luftströmungen oder aus mechanischen Bewegungen, gewonnen. So kann ein Stoßdämpfer, ein Schuh, das Knie oder der Kiefer zum Generator werden.

Wangs Team arbeitet schon seit gut fünf Jahren an Energy Harvesting mit Nanodrähten. Vor zwei Jahren hatten die Forscher einen Nanogenerator für Hemden vorgestellt, der aus Nanodrähten aus Zinkoxid bestand.