Solarstrom für Sensoren
Mit Sonnenlicht erzeugt ein Mikrofluidik-Chip Wasserstoff und daraus elektrischen Strom.
Miniaturisierte Bauteile wie etwa Mikrosensoren oder Chiplabors benötigen häufig ebenfalls miniaturisierte, netzunabhängige Stromquellen. Auf der Suche nach geeigneten autonomen Systemen haben japanische Wissenschaftler jetzt ein vollständig integriertes Mikrofluidik-Bauelement entwickelt. Es besteht aus aus einem miniaturisierten photokatalytischen Wasserstoffgenerator und einer Mikrobrennstoffzelle, deren Energie ausreicht, um zum Beispiel einen Mikrosensor für die tägliche Datenübertragung mit Strom zu versorgen.
Abb.: Diese Mikrofluidik-Wasserstoff-Brennstoffzelle könnte Mikrosensoren oder Chiplabors mit Strom versorgen. (Bild: Wiley-VCH)
In miniaturisierten autonomen Systemen wie Chiplabors sind ganze Laboratorien als Mikrofluidiksystem auf einer Plastikkarte untergebracht. Eine eigene, netzunabhängige Stromversorgung wäre sinnvoll. Die gängige Batterietechnik ist jedoch unhandlich und lässt sich nur schwer in miniaturisierte Systeme integrieren. Yuriy Pihosh von der Universität von Tokio und seine Kollegen konzentrieren sich deshalb auf mikrofluide Bauelemente: Sie entwickelten einen photokatalytischen Mikro-Wasserstoffgenerator in Verbindung mit einer Mikro-Wasserstoffbrennstoffzelle, alles als einem Mikrofluidik-Chip. Dieser solargetriebene Mikrostromerzeuger kann andere miniaturisierte Elemente stetig und bei Raumtemperatur und normalem Druck mit Energie versorgen.
Ein Glasträger dient als Plattform für die beiden Module: den Mikro-Wasserstoffgenerator und die Mikrobrennstoffzelle, die durch Mikro- und Nanokanäle miteinander verbunden sind. In diesen beiden Mikrofluidik-Modulen befinden sich erweiterte Nanokanäle zum Protonenaustausch zwischen Elektrolyt und Elektrode. Diese leiten ausgezeichnet Protonen, und bieten einen viel schnelleren Protonentransport als konventionelle Nafion-Protonenaustauschmembranen. Die Photoanode für die photokatalytische Wasserspaltung besteht aus Metalloxid-Nanostäbchen, an denen Wasserstoff mit nachgewiesenem Rekord-Wirkungsgrad produziert wird. Die durch die Wasserspaltung erzeugten Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, werden dann separat durch Mikrokanäle zur Mikro-Brennstoffzelle transportiert. Deren Aufgabe ist es, Sauerstoff, Protonen und Elektronen unter Stromgewinn wieder zu Wasser zusammenzuführen. Dieser Strom kann dann zum Beispiel integrierte Sensoren versorgen.
Da das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser wieder zum ersten Modul zurückgeführt wird, liegt ein geschlossener Kreislauf vor, und die Stromerzeugung hängt nur von Licht ab. Versuche ergaben eine stetige Wasserstoffproduktion pro Tag, äquivalent zu 35 Millijoule gespeicherter Energie. Das sei laut Aussage der Forscher genug, um einen Mikrosensor für 24 Stunden Datenübertragung mit Strom zu versorgen.
Integriert werden müssen allerdings noch Mikrogastanks als Gaszwischenspeicher, um zu vermeiden, dass sich ein Überdruck an erzeugtem Gas bildet. Das Problem sei aber einfach zu beheben. Als Anwendungen schlagen Pihosh und Kollegen autonome Mikrosensoren mit Netz- und Batterie-unabhängiger Stromversorgung sowie die extrem materialeffizienten Chiplabor-Techniken vor.
Wiley-VCH / JOL
