Mikrokraftwerke: Viele Wege führen zu Strom

Schuhe, Regentropfen, Töne, Stoff: Fast alles lässt sich per Energy Harvesting zum Kraftwerk umfunktionieren, das zeigen viele Forscher mit spannenden und auch skurrilen Ideen.

Ein Bericht von Jan Oliver Löfken veröffentlicht am 24. Juni 2019, 12:05 Uhr

Energie kann man aus überraschenden Quellen gewinnen. (Bild: Pexels.com)

Abwärme, Bewegungen des Körpers, Regentropfen und sogar Schallwellen - nahezu überall schlummern Energiequellen, die sich mit immer ausgeklügelteren Mikro- und Nanogeneratoren anzapfen lassen. Erste Prototypen bieten zwar nur einige Tausendstel Watt Leistung. Doch die geringen Strommengen reichen aus, um Leuchtdioden, Sensoren oder Funkmodule zu betreiben. Sowohl Wirkungsgrade als auch Haltbarkeit der günstig herstellbaren, autarken Mikrokraftwerke steigen stetig. Bei vielen Gelegenheiten könnten sie Verkabelungen oder Knopfzellbatterien schon bald überflüssig machen.

Die möglichen Anwendungen der weitgehend wartungsfreien Module reichen weit: vom stromerzeugenden T-Shirt über medizinische Implantate und Roboterkomponenten bis hin zu kleinen und mobilen Stromquellen im Internet der Dinge oder flexible elektronische Folien, die sich einfach auf die Haut heften lassen.

"Das Ernten von elektrischer Energie aus menschlichen Bewegungen ist eine vielversprechende Strategie, um Batterien in smarten Textilien, also elektronischer Kleidung, zu ersetzen", sagt Ray Baughman von der University of Texas in Dallas. Gemeinsam mit koreanischen Kollegen hat er aus Tausenden Nanoröhrchen aus Kohlenstoff hochfeste und flexible Fäden gesponnen, die beim Dehnen genug Elektrizität für den Betrieb von Sensoren und Leuchtdioden lieferten. Die Stromfasern erreichten eine Leistung von bis zu 250 Watt pro Kilogramm und damit deutlich mehr als andere bisher entwickelte Stromfasern.

Um aus gesponnenen Nanoröhrchen einen Stromgenerator zu erhalten, tränkten die Forscher das Material in einem leitfähigen Elektrolyten wie beispielsweise einer Kochsalzlösung. Dehnten sie die Stromfasern nun um bis ein Drittel, wurden sie schmaler, und die elektrischen Ladungen des Elektrolyten näherten sich aneinander an. Diese mechanische Bewegung verursachte dadurch kleine Spannungspulse von etwa 80 Millivolt bei einer Stromstärke von einigen Dutzend Mikroampere. Erste Versuche mit den wenige Mikrogramm leichten Fasern lieferten genug Strom zum Betrieb einer Leuchtdiode oder eines Pulssensors.

Vorbereitungen fürs stromerzeugende T-Shirt

Einen anderen Stromfaser-Ansatz verfolgen Zhong Lin Wang und seine Kollegen am Georgia Institute of Technology in Atlanta (GA Tech). Sie entwickelten piezoelektrische Fasern mit einem Kern aus Zinkoxid, um aus Bewegungen elektrischen Strom zu erzeugen. Beim piezoelektrischen Effekt entstehen unter Druck und Verformung eines Materials elektrische Spannungspulse. Mangelnde Stabilität dieser Fasern gegenüber Luft und Wasser verhinderte bisher aber eine Fertigung im größeren Maßstab.

Haltbarer waren dagegen flexible Solarfasern, die Forscher von der Fudan-Universität in Schanghai konstruiert haben. Sie umhüllten einen hauchdünnen Titandraht mit Titandioxid und einem Mantel aus lichtaktiven Kunststoffen. Mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu einem Faden verdrillt, entstand eine Fadensolarzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa zwei Prozent. Das ist zwar sehr wenig, doch ist die Stromausbeute mit den mechanischen Stromfasern durchaus vergleichbar.

Der Weg zu einem T-Shirt aus stromerzeugenden Stoffen ist sicher noch lang. Immerhin könnten die Stromfäden dann mit stromspeichernden Fasern kombiniert werden. Kraftwerk und Speicher wären dann im Stoff selbst integriert. Dazu entwickelten Forscher der Drexel University in Philadelphia verwebbare, flexible Superkondensatoren aus Leinen, Bambus und Viskose. In diese lagerten sie poröse Mikropartikel aus Aktivkohle ein. "Wir wollen einen effizienten Energiespeicher direkt in Kleidung integrieren. Das ist der Schlüssel für eine größere Verbreitung von tragbarer Elektronik", sagt Yury Gogotsi.

Viele Forschergruppen weltweit loten das Potenzial der Elektrizität aus Reibung aus.