Simpel, aber effektiv: Um Strom zu erzeugen, reichen ein doppelseitiges Klebeband und eine Alu-beschichtete Plastikfolie, wie ein Experiment belegt. Denn wenn diese Alltagsmaterialien kombiniert werden, bilden sie einen triboelektrischen Generator – sie erzeugen Strom beim Schütteln oder wiederholten Pressen der aufeinander geklebten Folien. Im Test reichte ein solcher Minigenerator immerhin aus, um 400 LEDs oder eine Laserdiode mit Strom zu versorgen.
Der Trend geht zur mobilen Stromgewinnung: Künftig könnten LEDs, Sensoren oder Minicomputer auch ohne Batterien funktionieren – indem sie ihren Strom durch piezo- oder triboelektrische Nanogeneratoren gewinnen. In diesen entstehen durch Reibung, Druck oder Verschieben von Materialschichten Ladungsveränderungen, die sich als Elektrizität abgreifen lassen. Eingebettet in eine Schuhsohle, den Fußboden oder auch die Kleidung, können solche Nanogeneratoren zumindest kleine Geräte antreiben.
Aus Klebeband und Alufolie
„Seit seiner Erfindung im Jahr 2012 ist der tribolektrische Nanogenerator (TENG) einer der vielversprechendsten Kandidaten für kleine Energiesammler“, erklären Moon-Hyung Jang von der University of Alabama in Huntsville und seine Kollegen. Allerdings waren bisherigen TENGs kompliziert aufgebaut und aufwendig herzustellen. Die Forschenden haben daher nach einer Möglichkeit gesucht, vergleichbare Leistungen auch mit einem Nanogenerator aus einfachen, leicht verfügbaren Komponenten zu erreichen.
Das Team entwickelte dafür ein neuartiges Konzept, bei dem weder teure Bauteile noch komplizierte Fertigungsschritte nötig sind. Ihr triboelektrischer Generator benötigt nur ein doppelseitiges Klebeband und eine mit Aluminium beschichtete Plastikfolie aus PET. Beides sind Materialien, die im Baumarkt oder Internet leicht erhältlich sind. „Auch spezielle Fabrikationsmethoden werden für unser Konzept der Stromerzeugung nicht benötigt“, erklären Jang und seine Kollegen.
Trennung und Kontakt lassen den Strom fließen
Zu einem Nanogenerator werden die Komponenten, indem man sie einfach kombiniert: Das doppelseitige Klebeband wird auf eine Aluminiumunterlage geklebt, darauf kommt mit der Plastikseite nach unten die beschichtete PET-Folie. Wenn nun diese Schichten durch Druck zusammengedrückt werden, kommt es zu einer Ladungsverschiebung an der Grenze beider Schichten: Im doppelseitigen Klebeband sammeln sich positive Ladungen, in der PET-Schicht der Folie negative.
Wenn nun der Druck wieder nachlässt und die Klebeverbindung sich sogar teilweise wieder löst, führen diese Ladungsdifferenzen zu einer Entladung. „Der Kontakt mit der eindringenden Luft bewirkt eine abrupte Verlagerung der Elektronen im PET-Schicht“, erklären Jang und seine Kollegen. Dadurch neutralisiert sich die Ladung dieser Schicht und die freiwerdenden Elektronen fließen in Richtung der Aluminiumschichten ab. „Bei Trennung der Schichten ist dadurch eine positive Spannung messbar“, so die Forscher.
Genug Energie für 400 LEDs oder ein Laserdiode
Wie gut die Stromerzeugung mit diesem Klebeband-Generator funktioniert, haben die Wissenschaftler mit verschiedenen Versionen dieses Nanogenerators getestet, unter anderem auch mit einem Klebeband mit einer PET/Alufolie auf beiden Seiten. Für die nötige Bewegung sorgte eine einfache Federkonstruktion, die Folie und Klebeband auf der einen Seite und die zweite Folie auf der anderen Seite immer wieder durch Druck in Kontakt brachte und trennte. Bei einer zweiten Version waren die Folien einseitig angebracht, so dass schon ein stärkeres Schütteln für das Kleben und Lösen sorgte.
Das Ergebnis: Der simple Nanogenerator erzeugte eine Leistung von gut 21 Milliwatt, die Leistungsdichte betrug bis zu 169,6 Watt pro Quadratmeter, wie die Wissenschaftler berichten. Dies sei 47 Prozent mehr als zuvor bei vergleichbaren triboelektrischen Nanogeneratoren gemessen. Eine Klebebandfläche von 38 mal 25 Millimetern Größe reichte dadurch im Test aus, um 476 LEDs gleichzeitig mit Strom zu versorgen. Auch für eine Laserdiode reichte der Strom aus.
Positiv auch: Das simple Klebeband-Konstrukt erweis sich als erstaunlich haltbar: Selbst nach 40.000 Zyklen von Kontakt und Trennung nahm die Leistung des Nanogenerators nur leicht ab. „Die Leistung bleibt bis zu 100.000 Zyklen lang im Bereich von 19 bis 24 Milliwatt“, berichtet das Team. Ihrer Ansicht nach eignen sich solche simplen und günstigen Nanogeneratoren daher gut, um beispielsweise Sensoren, LEDs oder anderer Kleinelektronik anzutreiben. (ACS Omega, 2022; doi: 10.1021/acsomega.2c05457)
Quelle: American Chemical Society
