Nachhaltiger Strom aus Fußtritten

Energieerzeugende Schritte: Unsere Fußtritte könnten zukünftig Energie erzeugen – und das mithilfe eines Abfallproduktes. Denn aus Holzzellstoff-Fasern haben Forscher einen Nanogenerator entwickelt, der durch Reibung und Druck Strom erzeugt. Verlegt man diesen Laminat-ähnlichen Bodenbelag an vielbegangenen Orten, könnte so quasi im Vorbeigehen Strom produziert werden.

Mit dem Rückgang unserer Erdölreserven und dem zunehmenden Klimawandel wächst die Motivation, nach neuen, nachhaltigeren Energiequellen zu suchen. Dafür lassen sich Forscher auch eher Exotisches einfallen, wie zum Beispiel, Strom aus unseren Bewegungen zu erzeugen. Ein Nanogenerator macht es beispielsweise schon möglich, Energie über die Schuhsolen oder ein Armband zu gewinnen.

Die Technik, die dahinter steckt, ist die Triboelektrik – das gleiche Phänomen, das durch Reibung statische Elektrizität auf unserer Kleidung erzeugt. Dieses Prinzip nutzen auch Xudong Wang von der University of Wisconsin-Madison und seine Kollegen für ihr Projekt: „Wir haben daran gearbeitet, Energie aus menschlicher Aktivität zu gewinnen“, sagt Wang. „Eine Möglichkeit ist es dabei, etwas zu entwickeln, was Menschen an sich tragen, und ein anderer Weg ist es etwas zu entwickeln, das Menschen ständig nutzen.“

Nachhaltiger Rohstoff: Holzzellstoff

Die Idee der Forscher: Warum nicht unseren ständigen Kontakt mit dem Boden als Energiequelle nutzen? Sie suchten daher nach einem Bodenbelag, der durch Reibung oder Druck Strom erzeugen kann und noch dazu nachhaltig ist.

Fündig wurden sie bei einem billigen, reichlich vorhandenen und erneuerbaren Abfallprodukt der Holzverarbeitung: dem Holzzellstoff. Dieses Gemisch feinster Zellulosefasern fällt bei der Papierherstellung und anderen Verfahren an, lässt sich aber auch aus Papier und Pappeabfällen gewinnen.

Zwei Materialien sorgen für Spannung

Für die Stromerzeugung kombinierten die Forscher jeweils eine Schicht unbehandelter Zellulose-Nano-Fasern mit einer Schicht aus fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP). Werden beide Schichten beispielsweise durch das Gewicht eines darüber gehenden Menschen komprimiert, kommen die verschiedenen Fasern in Kontakt.

„Sobald wir diese beiden Materialien zusammenbringen, bewegen sich die Elektronen, basierend auf ihrer unterschiedlichen Elektronenaffinität, von einem zum anderen“, sagt Wang. Dieser Elektronentransfer erzeugt Ladungsunterschiede im Material, die nach einem Ausgleich streben. Weil die Schichten so angeordnet sind, dass die Elektronen dafür durch eine Leitung abfließen müssen, fließt Strom.

Wang hält einen Prototyp des stromerzeugenden Bodenbelags in der Hand © Stephanie Precourt

Strom mit jedem Schritt

Eingebettet im Bodenbelag dienen die Faserschichten so als triboelektrische Nanogeneratoren und erzeugen Elektrizität. Die Forscher berichten, dass eine solche Faserplatte bei einem normalen menschlichen Schritt ungefähr 30 Volt Spannung mit 90 Mikro-Ampere erzeugen kann.

Der Nanogenerator soll außerdem langlebig sein: „Unser erster Test in unserem Labor zeigt, dass es für Millionen von Zyklen problemlos funktioniert“, sagt Wang. Die Forscher haben diese Werte zwar noch nicht auf eine Lebensdauer in Jahren umgerechnet. Wang zeigt sich aber trotzdem optimistisch: „Mit einer geeigneten Konzeption kann der Belag definitiv den Boden darunter überdauern.“

Geeignet für jeden Boden

Anwendungen dieses neuartigen Stromgenerators gäbe es viele: Sobald sie marktreif ist, kann die Technologie in alle Arten von Böden integriert werden, berichtet Wang. Eine hohe Stromproduktion erhofft er sich besonders von hochfrequentierten Fußböden in Eingangshallen oder an Orten wie Stadien und Einkaufszentren.

Vorerst arbeiten Wang und seine Kollegen allerdings noch daran, die Technologie zu optimieren. Sie hoffen, dass sie schon in Kürze einen Prototyp auf dem Campus ihrer Universität einbauen können. Dies soll das Konzept demonstrieren. Wang weiß aber schon: Es ist günstig und langlebig. (Nano Energy, 2016; doi: 10.1016/j.nanoen.2016.09.036)

(University of Wisconsin-Madison, 26.10.2016 – HDI)