Ein gummiartiges Material, das auf Druck sehr effektiv Strom erzeugt, könnte zukünftig Handys, iPods und andere mobile Geräte mit Energie versorgen – quasi im Vorbeigehen. Denn amerikanischen Forschern ist es jetzt erstmals gelungen, ein piezoelektrisches Material in Silikon einzubetten und so eine Art Piezo-Gummi zu erzeugen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ berichten, reichen als Stromquelle schon Körperbewegungen wie Laufen oder Atmen aus.
Den Effekt entdeckten französische Forscher schon 1880: Wenn man bestimmte Kristalle wie Quarz mechanisch verformt, entstehen an ihrer Oberfläche elektrische Ladungen. Solche piezoelektrischen Materialien finden sich heute in vielen Alltagsgegenständen, wie beispielsweise Tintendruckern, Tonabnehmern von elektrisch verstärkten Musikinstrumenten oder auch in den Braillezeilen von Computern für Blinde. Eine neue, vielversprechende Anwendung könnte jetzt aber ein neues piezoelektrisches Keramik-Material eröffnen – die Erzeugung von Strom für mobile Geräte.
Vom Druck zum Strom mit 80 Prozent Effektivität
Ingenieuren der Universität von Princeton gelang es erstmals, das bekannte Piezomaterial Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) mit Silikon zu kombinieren. PZT gilt als eines der effektivsten piezoelektrischen Materialien, es kann bis zu 80 Prozent der mechanischen in elektrische Energie umwandeln. „PZT ist hundert Mal effizienter als Quarz, ein anderes piezoelektrisches Material”, erklärt Michael McAlpine, Professor für Mechanik und Luftfahrttechnik in Princeton. Der Nachteil: das keramische Material ist relativ steif und daher für flexible Materialien nicht geeignet.
Genau dies änderten die Forscher nun, indem sie nur wenige Nanometer breite Streifen aus PZT in klare Schichten aus gummiartigem Silikon einbetteten. Damit erhielten sie neuartige „Piezo-Gummi-Chips“, die die Effektivität des PZT, aber die Flexibilität des Silikons in sich kombinierten. Ein einfacher Druck reicht und das Material erzeugt elektrischen Strom.
Körperbewegungen als Stromlieferanten
Anwendungen für das neue Piezomaterial gibt es viele: In die Gummisohlen von Schuhen integriert, könnte es beispielsweise beim Laufen und Rennen genügend Strom erzeugen, um mobile Geräte wie iPods oder Handys zu versorgen oder LEDs zum Leuchten zu bringen. Weil die Silikon-Matrix biologisch verträglich ist, kommen auch medizinische Einsatzzwecke in Frage:
Anwendungen auch in der Medizin
„Die neuen Geräte können in den Körper eingepflanzt werden, um dort dauerhaft medizinische Geräte mit Strom zu versorgen, der Körper würde sie nicht abstoßen“, so McAlpine. So könnten kleine Geräte wie Schrittmacher allein durch die Atembewegung des Brustkorbs angetrieben werden. Weil das neue Material nicht nur Strom erzeugt, wenn es gebeugt wird, sondern auch mit Streckung reagiert, wenn man ihm Strom zuführt, wären auch andere Anwendungen möglich, wie beispielsweise mikrochirurgische Geräte.
„Das Gute daran ist zudem, dass es skalierbar ist“, erklärt Yi Qi, Mitarbeiter von McAlpine. „Wenn wir beim Herstellen dieser Chips noch besser werden, werden wir immer größere und größere Folien davon machen können und damit auch mehr elektrische Energie erzeugen können.“
(Princeton University, Engineering School, 29.01.2010 – NPO)
