Wie Wasser zum Herzstück eines Superkondensators wird
PETRA III macht die ungewöhnlichen Eigenschaften von H₂O in winzigen Kanälen sichtbar.
Wasser kann in extrem engen Kanälen elektrische Ladung überraschend effizient transportieren. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Hamburg hat dieses Verhalten für einen neuartigen Superkondensator genutzt. Messungen an der Röntgenlichtquelle PETRA III am DESY machten die Struktur ultradünner Wasserschichten sichtbar und halfen zu erklären, warum der Energiespeicher funktioniert. Die Erkenntnisse könnten langfristig neue Wege für nachhaltige Energiespeicher eröffnen.
Wasser gehört zu den am besten erforschten Substanzen überhaupt. Doch in winzigen Kanälen, die nur etwa einen Nanometer breit sind, verhält es sich anders als gewohnt. Ein Forschungsteam der TU Hamburg hat diese ungewöhnlichen Eigenschaften nun für einen neuartigen Superkondensator genutzt. Messungen an der Röntgenlichtquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY lieferten entscheidende Einblicke in die Struktur der ultradünnen Wasserschichten.
Der „Blue Capacitor“ nutzt Wasser als Elektrolyt – also als Medium für den Ladungstransport. Anders als herkömmliche Batterien oder Superkondensatoren kommt das System ohne zugesetzte Salze, Säuren oder andere chemische Elektrolyte aus. Stattdessen basiert es ausschließlich auf Wasser, Tonmineralien und Graphen.
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Das Geheimnis der Technologie liegt in den nur etwa einen Nanometer breiten Kanälen innerhalb der Tonminerale. Das entspricht etwa einem Hunderttausendstel der Dicke eines menschlichen Haars. In diesen winzigen Hohlräumen entwickelt Wasser Eigenschaften, die es in größeren Mengen nicht zeigt. Gemeinsam mit dem Graphen bilden die Tonminerale ein Netzwerk aus Millionen solcher Kanäle, in denen elektrische Ladung besonders effizient transportiert werden kann.
Um die Struktur des Wassers in diesen extrem engen Räumen zu untersuchen, nutzte das Forschungsteam die hochbrillante Röntgenstrahlung von PETRA III. Die Forschenden machten die ultradünnen Wasserschichten in den Tonstrukturen sichtbar und analysierten ihre Anordnung im Detail.
In Labortests blieb der Superkondensator über mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen stabil. Zudem erreichte das System Spannungen von bis zu 1,6 Volt – ein vergleichsweise hoher Wert für einen wasserbasierten Energiespeicher. Die Forschenden sehen darin einen Hinweis darauf, dass sich die besonderen Eigenschaften von Wasser in den engen Kanälen für praktische Anwendungen nutzen lassen.
Noch befindet sich die Technologie in einem frühen Entwicklungsstadium. Langfristig könnte das Konzept jedoch neue Möglichkeiten für nachhaltige Energiespeicher eröffnen, etwa zur Zwischenspeicherung von Strom aus Wind- und Solaranlagen. Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse über Wasser in engen Nanostrukturen auch für andere Forschungsfelder relevant sein – beispielsweise für Sensoren, bioinspirierte Systeme oder neuromorphe Computerarchitekturen. [DESY / dre]
