Energy Harvesting: Holz liefert Strom

Liefert künftig der Parkettboden Strom für die Lampe, wenn jemand darüber läuft? Forscher aus der Schweiz haben einen piezoelektrischen Generator aus Holz geschaffen.

Artikel veröffentlicht am 16. März 2021, 12:39 Uhr, Werner Pluta

Piezoelektrischer Holzschwamm: Einsatz als biomedizinischer Drucksensor (Bild: ACS Nano/Empa)

Baustoff, Brennstoff, Grundstoff für Papier: Holz ist vielfältig einsetzbar. Zwei Forschungsgruppen in der Schweiz haben eine weitere Anwendung gefunden: Sie haben Holz so bearbeitet, dass es elektrischen Strom liefert.

Die Gruppen von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ) und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) machen sich dabei den piezoelektrischen Effekt zunutze. Wird ein piezoelektrisches Material verformt, erzeugt es eine elektrische Spannung.

Holz wird komprimierbar...

Holz ist ein solches Material, aber der Effekt ist gering, weil sich Holz nur wenig verformen lässt. Die Forschungsgruppen um Ingo Burgert von der EHTZ und Francis Schwarze von der Empa haben deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, Holz so zu bearbeiten, dass es komprimierbar wird.

Dazu haben sie die chemische Zusammensetzung des Holzes verändert, indem eine Komponente der Zellwände herausgelöst wird. Die Zellwände von Holz bestehen aus drei Grundstoffen: Lignin, Hemizellulose und Zellulose. "Das Lignin ist der stabilisierende Stoff, den Bäume benötigen, um weit in die Höhe wachsen zu können", sagte Burgert. "Ohne Lignin, das die Zellen verbindet und verhindert, dass die zugsteifen Zellulosefibrillen ausknicken, wäre das nicht möglich."

... wie ein Schwamm

Wird hingegen das Lignin entfernt, bekommt das Holz eine schwammartige Konsistenz. Die Teams haben ein Stück Balsaholz in einen weißen Holzschwamm verwandelt, der nur noch aus dünnen Zelluloseschichten besteht. Die Schichten lassen sich einfach zusammenpressen. Wird kein Druck mehr ausgeübt, nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form an.

Das ETHZ-Team schuf einen Testwürfel mit einer Seitenlänge von etwa 1,5 cm und drückte ihn zusammen. Dabei erzeugte der Holzschwamm eine Spannung von etwa 0,63 Volt. Werden 30 solcher Holzklötzchen mit dem Körpergewicht eines erwachsenen Menschen belastet, liefern sie genug Strom, um ein einfaches LCD-Display zu betreiben. "Der Holzschwamm erzeugt eine um das 85-fach gesteigerte elektrische Spannung im Vergleich zu nativem Holz.", sagte Jianguo Sun aus Burgerts Team. In einem Test mit etwa 600 Belastungszyklen habe sich der Holzschwamm als "erstaunlich beständig" erwiesen.

Essigsäure löst Lignin

Sun hatte vor einigen Monaten im September vergangenen Jahres im Fachmagazin ACS Nano ein chemisches Verfahren zur Delignifizierung vorgestellt. Dabei wird das Holz in eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Essigsäure eingelegt.

Die Säure löst dann das Lignin auf, es bleibt das Gerüst aus Zelluloseschichten. "Wir machen uns die hierarchische Struktur des Holzes zunutze, ohne sie, wie etwa bei der Papierherstellung, zuerst ganz aufzulösen und die Fasern anschließend wieder verbinden zu müssen", sagte Burgert.

Pilz löst Lignin

Schwarzes Empa-Team hat ein neues Verfahren zur Delignifizierung entwickelt, das ohne Chemikalien auskommt. Dabei baut ein Pilz Lignin und Hemizellulose ab: Der Flache Lackporling zersetzt das Lignin im Holz durch Weißfäule."Zwar war die erzeugte Spannung bei ersten Tests geringer als beim chemisch behandelten Holz, dafür ist das Pilz-Verfahren umweltverträglicher", sagt Burgert.

Piezoelektrische Materialien können beispielsweise als Drucksensoren eingesetzt werden, die bei mechanischer Belastung ein Signal erzeugen. Die Stoffe, die dafür verwendet werden, sind jedoch oft für biomedizinische Anwendungen ungeeignet. Hier könnten die Holzschwämme zum Einsatz kommen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit könnten nachhaltige Baumaterialien sein, die in der Nutzungsphase Energie erzeugen, etwa ein stromerzeugender Parkettboden.