Strom aus dem Schwamm
Minikraftwerk nutzt elektrostatische Ladungen, die beim Zusammendrücken eines Schaumstoffs mit eingelagerten Drähten entstehen.
Elektrostatische Ladungen lassen nicht nur Haare zu Berge stehen. Sie lassen sich mit triboelektrischen Generatoren auch in einen winzigen, aber dennoch nutzbaren Stromfluss verwandeln. Eine italienische Arbeitsgruppe entwickelte nun ein mikroporöses Gummi-Kraftwerk, in dem beim periodischen Zusammendrücken elektrische Ströme im Mikrowattbereich entstehen. Wegen der einfachen Fertigung halten die Forscher zahlreiche Anwendungen dieser Generatoren integriert in Schuhsohlen, Reifen oder gar Tanzflächen für möglich.
Abb.: Prototyp des triboelektrischen Generators: In diesem Block reiben Kupferdrähte an einer Siloxanmasse, so dass elektrostatische Ladungen entstehen und als nutzbaren Strom „geerntet“ werden können. (Bild: L. Beccai / Wiley-VCH)
Großen Wert legten Lucia Beccai und ihre Kollegen vom Center for Micro-BioRobotics in Pontedera bei Pisa auf die einfache Fertigung des schwammartigen Stromgenerators. So griffen sie zu einem handelsüblichen Kupferdraht mit 650 Mikrometern Durchmesser. In viele Schleifen verdreht lagerten sie diesen in eine flexible Kunststoffmasse aus Polydimethylsiloxan. Um jedoch elektrostatische Ladungen über den triboelektrischen Effekt erzeugen zu können, müssen sich Draht und Kunststoff aneinander reiben können. Dazu dienten kleine Luftkammern, so dass sich Kupfer und Siloxanmasse beim wiederholten Zusammendrücken berühren und wieder voneinander trennen konnten.
Um genügend Luftkammern rund um den Kupferdraht zu erhalten, wurde dieser von den Forschern zuvor mit einer Zuckerlösung beschichtet. Getrocknet hafteten an dem Draht Kristalle von durchschnittlich 300 Mikrometern Durchmesser. Nach dem Einlagern in die flexible Siloxanmassen konnte der Zucker aufgelöst und ausgewaschen werden, so dass zahlreiche, luftgefüllte Leerräume entstanden. Einzig eine Referenz-Elektrode wurde nicht mit Zuckerkristallen ummantelt und völlig von der Siloxanmasse eingeschlossen. Über die Referenzelektrode und einen mit Luftlöchern umgebenden Kupferdraht konnten die Forscher den triboelektrisch erzeugten Strom messen.
Abb.: Aufbau des triboelektrischen Generators: Kupferdraht in einem Schwamm aus Polydimethylsiloxan. (Bild: L. Beccai / Wiley-VCH)
Ein erster Prototyp aus dem mit Kupferdrähten durchzogenen, mikroporösen Kunststoff wies ein Volumen von etwa vier Kubikzentimetern auf. Diesen drückten Beccai und Kollegen mehrmals hintereinander zusammen. Geschah dies zwei Mal pro Sekunde, ließen sich lediglich Ströme von einigen hundert Nanowatt Leistung bei Spannungen von knapp zwei Volt erzeugen. Presste man den kleinen Block aber zehn Mal pro Sekunde, schnellte die Leistung auf knapp 1,4 Mikrowatt in die Höhe. Diese geringen Ströme reichen aus, um kleine Sensoren oder gar Leuchtdioden zu betreiben. Wegen der einfachen Fertigung könnten nun zahlreiche dieser Minikraftwerke miteinander verschaltet werden, um so die Stromausbeute zu steigern. Integriert in Schuhsohlen wäre das Aufladen eines Akkus aber immer noch ein mühseliges und langwieriges Unterfangen.
Jan Oliver Löfken
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