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Kraftwerke in den Schuhen

Verantwortlich dafür ist der triboelektrische Effekt, über den beim Aneinanderreiben von Metallen und Kunststoffen elektrostatische Ladungen entstehen. Das Phänomen verspricht relativ große Leistungsdichten von bis zu 500 Watt pro Quadratmeter. Typisch für ein Forschungsfeld, auf dem noch die Grundlagen im Mittelpunkt stehen, sind die verblüffend unterschiedlichen Prototypen.

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GA-Tech-Forscher Wang etwa legte mehrere Kunststoffschichten und eine Lage aus Kupfer in eine Schuhsohle. Bei jedem Schritt entstanden Strompulse mit bis zu 35 Volt Spannung bei 0,25 Mikroampere. Damit könnten beispielsweise Kondensatoren aufgeladen werden. Der Effekt taugt aber auch als autarker Sensor, um Schritte und deren Stärke zu messen.

Ein weiteres Sohlenkraftwerk konstruierte Tom Krupenkin von der University of Wisconsin in Madison. Er ließ durch drei Kammern in der Schuhsohle eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit zirkulieren. Bei jedem Schritt floss sie über elektrostatisch aufladbare, mit Tantaloxid beschichtete Elektroden. Erste Prototypen des Sohlenkraftwerks erreichten eine Leistung von bis zu einem Watt.

Ganz ohne Flüssigkeiten kommt dagegen ein schwammartiger, poröser Silikonkunststoff, durchzogen von feinen Kupferdrähten, aus. Entwickelt von Lucia Beccai vom Center for Micro-BioRobotics in Pontedera bei Pisa, erzeugte der Schwamm über elektrostatische Ladungen bei jedem Zusammenpressen einen nutzbaren Stromfluss. Pressten die Forscher den Stromschwamm zehn Mal pro Sekunde, schnellte die Leistung auf bis zu 1,4 Mikrowatt in die Höhe, genug für Sensoren oder Leuchtdioden.

Die Energie fallender Regentropfen verwerten

Als erstaunlich effizient erwies sich auch ein flexibler Armreif chinesischer Forscher von der Universität für Wissenschaft und Technik in Peking. Durch diesen legten sie einen mit filigranen Nanostrukturen ausgestatteten Gummischlauch, gefüllt mit einer Kochsalzlösung. Wurde der Armreif periodisch mit einer Art Sandwich aus Aluminium und Nylon berührt, entstanden kurze Spannungspulse von bis zu 67 Volt. Damit konnten die Forscher bis zu 80 Leuchtdioden aufflackern lassen.

Sogar die Energie fallender Regentropfen ließ sich dank der Reibungselektrizität mit einem Minikraftwerk von Entwicklern der Shanghai University of Electric Power verwerten. Der triboelektrische Generator nutzte die statische Aufladung von Wassertropfen. Die oberste Schicht bestand dafür aus einem stark wasserabweisenden Kunststoff. Fielen darauf nun Wassertropfen, die positive elektrische Ladungen trugen, rannen sie schnell zur Seite ab. Dabei sammelten sich über einen Reibungseffekt negative Ladungen auf einer unteren Schicht aus leitfähigem Indiumzinnoxid. Von dort konnten sie zum Aufladen eines Kondensators abgegriffen werden. Kombiniert mit einer Solarzelle entstand daraus sogar ein kleines Allwetter-Kraftwerk bis mit zu 90 Milliwatt Leistung pro Quadratmeter.

Der Koreaner Jihyun Bae und seine Kollegen vom Samsung Advanced Institute of Technology in Suwon ersonnen dagegen einen triboelektrischen Windenergiegenerator, der bei Windstärke 7 knapp ein Milliwatt Strom bei 200 Volt Spannung lieferte. Er bestand aus einem mit einer hauchdünnen Goldschicht beschichteten Wimpel. Beim Flattern im Wind berührte dieser eine starre Kunststoffplatte, wobei die gewünschten elektrostatischen Ladungen erzeugt wurden.

Noch einen Schritt weiter ging jüngst wieder GA-Tech-Forscher Zhong Lin Wang gemeinsam mit chinesischen Kollegen.

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