Energy Harvesting: Künstlicher Baum erzeugt Strom aus Schwingungen

Baum (Symbolbild): Künstlicher Baum erzeugt elektrische Energie aus den zufälligen Kräften in der Natur. (Bild: Werner Pluta/Golem.de)

Wenn es bebt, gibt es Strom: US-Forscher haben einen künstlichen Baum entwickelt, der Vibrationen in elektrischen Strom wandelt. Er reagiert auf die unterschiedlichsten Schwingungen - je chaotischer, desto besser.

Etwas Strom, um das Smartphone oder das Tablet zu laden? Schüttel ihn dir doch vom Baum! Wissenschaftler der Universität des US-Bundesstaates Ohio in Columbus haben ein neues System entwickelt, um Strom aus Wind zu erzeugen. Sie bauen keine riesigen Windräder, sondern Bäume.

Die Forscher um Ryan Harne vom Laboratory of Sound and Vibration Research (LSVR) wollen die Vibrationen, die beispielsweise Wind auslöst, wenn er durch Bäume fährt, nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Sie haben einen einfachen Baum gebaut, um das Prinzip zu testen: einen Stamm mit einem Ast, die durch einen Streifen aus dem Kunststoff Polyvinylidenfluorid verbunden sind.

Der Baum schwankte nicht sichtbar

Sie platzierten den Baum auf einem Gerät, das diesen mit einer hohen Frequenz, aber einer geringen Amplitude schüttelte. Wegen der geringen Schwingungsweite schien sich der Baum nicht zu bewegen. Dennoch produzierte er eine Spannung von 0,8 Volt.

Nun ist dieses Energy Harvesting mittels des piezoelektrischen Effekts nichts Neues. Allerdings sei noch nicht ausreichend versucht worden, Umgebungsschwingungen dafür zu nutzen, sagen die Forscher. Grund sei die Annahme, dass sich aus den zufälligen Kräften in der Natur keine einheitlichen Schwingungen erzeugen ließen.

Das System hält eine einheitliche Frequenz

Die Forscher um Harne fanden mittels eines mathematischen Modells heraus, dass eine baumartige Struktur trotz wahllos darauf einwirkender Kräfte eine einheitliche Schwingung beibehält. Den Forschern gelang es, ihren Baum auch dann mit großer Amplitude und niedriger Frequenz schwingen zu lassen, wenn wenn sie ihn hochfrequenten Kräften aussetzten. Er behielt seine Schwingung sogar bei, als sie diese hochfrequenten Kräfte mit zufälligen Störschwingungen überlagerten.

Als sie ihren Testbaum Zufallsbewegungen aussetzten, erreichte dieser irgendwann einen Umschlagpunkt, an dem er die hochfrequente Energie in eine Schwingung mit einer niedrigen Frequenz umsetzte. Jetzt schwankte der Baum deutlich, wobei Stamm und Ast synchron schwangen. In diesem Zustand lieferte der Baum sogar eine deutlich höhere Spannung: etwa 2 Volt.

Sensoren versorgen sich selbst mit Strom

Als Energiequelle für solche Bäume können alle möglichen Vibrationen dienen: Gebäude, die sich im Wind oder durch Nutzung leicht bewegen, seismische Aktivitäten oder Vibrationen durch Schritte. "Es gibt tatsächlich eine riesige Menge kinetischer Energie durch solche Bewegungen, die sonst verloren geht. Wir wollen etwas von dieser Energie zurückgewinnen und nutzen", sagt Harne.

Die erste Anwendung, die den Forschern vorschwebt, sind Structural-Health-Monitoring-Sensoren, die den Zustand von Gebäuden oder Brücken überwachen. Sie könnten durch die Vibrationen des Windes oder darüberfahrender Autos mit Strom versorgt werden.

Harne und seine Kollegen beschreiben ihre Entwicklung in der Fachzeitschrift Journal of Sound and Vibration.