Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/mikrokraftwerke-viele-wege-fuehren-zu-strom-1906-141772.html    Veröffentlicht: 24.06.2019 12:05    Kurz-URL: https://glm.io/141772

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.

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.

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.

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.

Skurrile Projekte

Ihnen gelang es, einen triboelektrischen Generator in eine hauchdünne Folie zu integrieren. Zwischen zwei durchsichtige und flexible Kunststoffschichten deponierten sie ein mit Lithiumchlorid getränktes, ebenfalls transparentes Hydrogel. Ohne Schaden zu nehmen, war das Modul bis auf die zehnfache Länge dehnbar. Bei jeder Dehnung entstanden elektrostatische Ladungen mit mehr als 100 Volt Spannung, die sich über filigrane Elektroden abgreifen ließen. Die Leistungsdichte schätzten die Forscher auf bis zu 35 Milliwatt pro Quadratmeter.

Solche Stromfolien könnten direkt auf die Haut geheftet werden, um jede Bewegung für die Stromerzeugung zu nutzen. Auch Anwendungen in der Robotik halten die Forscher für möglich. "Triboelektrische Generatoren bieten insgesamt viele Vorteile von günstigen Materialkosten über eine einfache Produktion bis hin zu hohen Wirkungsgraden", ist Zhong überzeugt.

Aus Tönen Strom machen

So vielfältig die Konzepte für triboelektrische Kraftwerke sind, werden bis zu ersten konkreten Anwendungen wohl noch einige Jahre vergehen. Das gilt erst recht für weitere, teils skurrile Ansätze stromerntender Minikraftwerke. Die Energie von Schallwellen etwa wandelten chinesische Forscher von der Chongqing-Universität mit einem akustischen Generator in Ströme mit einigen Mikrowatt Leistung bei 1,6 Volt Spannung um.

Um möglichst jedes Geräusch nutzen zu können, montierten die Forscher ein piezoelektrisches Modul aus Blei-Zirkonat-Titanat auf eine dünne Scheibe. Diese lagerten sie in einem Zylinder, den die Forscher mit Tönen zwischen 800 und 1.600 Hertz bei einem konstanten Schalldruck von 100 Dezibel beschallten. Damit wurde die Scheibe über einen weiten Frequenzbereich in stromerzeugende Schwingungen versetzt.

Einen ganz anderen Weg schlägt Ozgur Sahin von der Columbia University in New York ein. Er hat die Verdunstung von Wasser als bisher ungenutzte Energiequelle ausgemacht. Mit einem hydromechanischen Aufbau belegte er jüngst die grundsätzliche Machbarkeit eines Verdunstungskraftwerks. Sein Prototyp bestand aus speziellen Bakteriensporen, die er in einem flexiblen Kunststoffmantel fixierte. In feuchtem Zustand dehnten sich diese Sporen aus, in trockener Umgebung schrumpften sie wieder zusammen. Wechselnde Luftfeuchte führte also zu einer mechanischen Bewegung, die einen Stromgenerator antreiben konnte.

Sahin setzte diese Fasern in eine kleine Testkammer, die er direkt über eine Wasserfläche positionierte. Nahm nun über Verdunstung die Luftfeuchte in der Kammer zu, streckten sich die Fasern. Über eine obere Klappe wurde die feuchte Luft durch die trockenere Luft der Umgebung ausgetauscht, und die Fasern zogen sich wieder zusammen. Diese zyklische Bewegung im Minutentakt konnte einen kleinen Stromgenerator in Rotation versetzen. Der handgroße Prototyp lieferte elektrischen Strom mit einigen Mikrowatt Leistung.

Sahin hat aber nicht nur Minikraftwerke in Sinn. "Wir verfügen über die Technologie, um Wind-, Wasser- und Sonnenkraft zu nutzen, aber auch Verdunstung ist vergleichbar leistungsstark", sagt er. So könnten ausgereifte Module großflächig auf Seen und Staubecken treiben und die Leistungsdichte für Verdunstungsprozesse von bis zu 10 Watt pro Quadratmeter für die Stromerzeugung nutzen. Doch mit bisher erreichten Wirkungsgraden von gerade mal einem Prozent wäre das noch kaum wirtschaftlich.

Sehr viel ausgereifter sind dagegen thermoelektrische Generatoren, die die Abwärme von Kraftwerken oder Motoren in Elektrizität verwandeln.

Motor- und Körperwärme als Stromquelle

Das Prinzip der thermoelektrischen Stromerzeugung ist relativ einfach: Wird ein geeignetes Material an einer Seite aufgeheizt, während die andere Seite kühl bleibt, gehen Elektronen auf Wanderschaft und gleichen diese Temperaturdifferenz aus. Die Folge: Es fließt ein elektrischer Strom, verursacht durch den sogenannten Seebeck-Effekt. Je größer der Temperaturunterschied, desto effizienter arbeiten Thermoelektrika.

Für Weltraumsonden werden sie bereits seit Jahrzehnten genutzt. Eingesetzt in Autos, könnten sie mit der Wärme der mehrere Hundert Grad heißen Abgasrohre Strom erzeugen und damit den Spritverbrauch um bis zu zehn Prozent senken. Auch für Elektromobile werden thermoelektrische Module in Pilotprojekten erfolgreich eingesetzt, um die Reichweite zu erhöhen.

Module mit lange bekannten thermoelektrischen Modulen wie Bleitellurid - stabil bis etwa 300 Grad Celsius - sind zwar ausgereift, doch suchen Forscher weiter nach noch effizienteren Materialien, die sowohl für höhere als auch tiefere Temperaturen geeignet sind. So arbeitet an der Universität Wien die Gruppe von Peter Franz Rogl an speziellen, hitzefesten Kristallen - sogenannte Skutterudite aus Eisen, Antimon, Strontium, Barium oder Ytterbium. Ingenieure der Isabellenhütte Heusler in Dillenburg in Mittelhessen setzen auf thermoelektrische Halb-Heusler-Materialien, die bis 600 Grad stabil bleiben. Prototypen mit etwa fünf Prozent Wirkungsgrad und mehreren Hundert Watt Leistung sollen binnen sechs Jahren marktreif sein.

Ein würfelkleiner Generator

Thermoelektrika sind aber auch für Minikraftwerke geeignet. Die Otego GmbH, eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie, hat einen thermoelektrischen Generator in Spielwürfelgröße entwickelt. Die Stromwürfel bestehen aus einer hauchdünnen, vielfach gefalteten thermoelektrischen Folie. Die kleinen Module können an vielen Orten, an denen Abwärme entsteht, einfach montiert werden und so beispielsweise drahtlose Sensornetzwerke in einer Industriehalle günstig und wartungsfrei mit Strom versorgen.

Noch kleiner gestaltete die Forschergruppe um John Rogers an der Northwestern University in Evanston im US-Bundesstaat Illinois eine dünne thermoelektrische Folie. Zu einer Spirale aufgerollt ließ sie sich in einen flexiblen Kunststofffilm integrieren, der wie ein Pflaster auf die Haut geklebt werden kann. Diesem Modul reichte der mit 19 Grad geringe Unterschied zwischen Körper- und Umgebungstemperatur, um Strom für medizinische Sensoren zu erzeugen. Acht Spiralen auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter lieferten eine Spannung von 51,3 Millivolt bei zwei Nanowatt.

So haben Thermoelektrika derzeit die besten Chancen, in Minikraftwerken zur Umwandlung von Abwärme in Strom eingesetzt zu werden. Doch die Entwicklung der deutlichen günstigeren triboelektrischen Generatoren zeigt eine große Dynamik, so dass bald auch Bewegungen jeder Art der Stromerzeugung dienen werden.

Leseraufruf

Immer wieder versprechen Wissenschaftler und Hersteller bahnbrechende Neuerungen bei Akkus, Brennstoffzellen und anderen Energiespeichern. Akkus laden angeblich schneller, sie haben mehr Kapazität bei gleichem Gewicht, sie sind nicht feuergefährlich. Manches davon ist Humbug, andere Innovationen funktionieren im Labor, brauchen aber Jahre, bis sie serienreif sind.

An den Reaktionen sehen wir immer wieder, dass dieses Thema unsere Leser bewegt. Wir planen daher einen Artikel, der so viele offene Fragen beantwortet wie möglich. Schreibt uns dafür eure Fragen und Wünsche an redaktion@golem.de.

 (jol)


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