Strom aus Gummi und Wasser: Chinesische Forscher haben einen verblüffend simplen Nanogenerator entwickelt, der durch Bewegung – triboelektrisch – Strom produziert. Die Ausbeute reicht immerhin aus, um LEDs und einfache Sensoren zu versorgen. Der große Vorteil: Das Material ist so vielseitig und flexibel formbar, dass man es als Armband, Kissen oder auch Schuhsohle einsetzen kann, wie die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.
Ob Sensor-Armband, Smart-Watch oder elektronische Pflaster, die unseren Blutzucker kontrollieren oder Fieber messen: Unsere Elektronik wird immer kleiner und mobiler. Bisher allerdings fehlt diesen Gadgets eine Stromquelle, die ebenso minimalistisch, mobil und elastisch ist wie sie.
Energie aus Kontakt und Reibung
Diese Lücke könnten Fang Yi von der Universität für Wissenschaft und Technik in Peking und seine Kollegen nun mit ihren triboelektrischen Nanogeneratoren (TENG) schließen. Diese machen sich die elektrische Aufladung von Materialien durch Reibung oder wiederholten Kontakt zunutze. Voraussetzung ist dabei, dass beide Stoffe eine unterschiedliche Affinität für Elektronen besitzen
„Triboelektrische Nanogeneratoren, die mechanische Energie durch eine Kombination aus triboelektrischem Effekt und elektrostatischer Aufladung umwandeln, sind vielversprechende ‚Energie-Ernter'“, erklären die Forscher. „Denn sie lassen sich einfach herstellen, kosten wenig, wiegen nicht viel, sind effizient und noch dazu umweltfreundlich.“ Bisherige TENGs krankten allerdings daran, dass sie oft aus unflexiblen Materialien bestanden und schlecht skalierbar waren.
Gummi mit Nano-Noppen und Wasser
Jetzt haben Yi und seine Kollegen einen Nanogenerator entwickelt, der extrem elastisch und vielseitig formbar ist. Im Prinzip besteht ihr „shape-adaptive TENG“ (saTENG) aus nicht viel mehr als einer Salzlösung oder Wasser als Elektrode und einer Hülle aus elastischem Polymer. Das Polymer besitzt eine nanostrukturierte Oberfläche aus Nanostäbchen, die die Wechselwirkung von Wasser und Kunststoff optimiert.
Durch Kontakt mit einem geerdeten Objekt und durch Verformung des Generators nimmt die Wasserelektrode abwechselnd Elektronen auf oder gibt sie wieder ab, wie die Forscher erklären. Der Vorteil sei dabei: Der saTENG kann in nahezu beliebiger Form produziert und genutzt werden und funktioniert selbst dann noch, wenn er wie ein wassergefülltes Gummiband um bis zu 300 Prozent gedehnt wird.
Funktioniert als Schuhsohle, Armband oder Sensor
Ob und wie gut dieser Generator funktioniert, haben die Forscher an gleich mehreren Modellen und Varianten ausprobiert. Im ersten Versuch stellten sie ihren TENG in Form einer Sohle her und klebten ihn unter die Schuhe von Probanden. Berührten diese nun mit diesem Schuh den Boden oder hoben ihn hoch, floss jedesmal ein Schub Elektronen in angeschlossene LEDs und ließ sie aufleuchten.
Eine weitere Variante ist ein Nanogenerator in Form eines Armbands – äußerlich ist dieses kaum von einem der typischen Fitnesstracker zu unterscheiden. Tippten die Probanden mit der anderen Hand dieses Armband an, erzeugte der saTENG Strom. „Ein Zyklus solcher Taps kann mehr als 80 LEDs zum Leuchten bringen – das zeigt seine Effektivität als tragbare Stromquelle“, betonen Yi und seine Kollegen.
Erstellt man aus dem Gummi-Wasser-Generator ein elastisches Armband für den Oberarm, dann kann er sogar als sich selbst versorgender Sensor dienen: Beugt und streckt man den Arm, verändert sich der Durchmesser des Bizeps und damit die Größe der Kontaktfläche zwischen TENG und Haut. Dadurch kann der Sensor die Armposition messen, gleichzeitig erzeugt dies Strom: „Diese periodische Veränderung der Kontaktfläche erzeugt einen Strom von Elektronen, die zwischen der Wasserelektrode des saTENG und der Erdung hin- und herfließen“, erklären die Forscher.
„Anwendungen gibt es reichlich“
Nach Ansicht von Yi und seine Kollegen könnten triboelektrische Nanogeneratoren durch ihre Anpassungsfähigkeit, sowie ihre vielseitigen Formen und Einsatzmöglichkeiten viele nützliche Anwendungen ermöglichen. „Dieses Konzept könnte für tragbare Elektronik, implantierbare Geräte oder haptische Sensoren nützlich sein und das in Bereichen wie dem Sport, der Robotik, der Unterhaltung oder der Medizin“, konstatieren die Wissenschaftler.
Stellt man die Nanogeneratoren in flacher Kissenform her, können sie sogar als stromerzeugender Bodenbelag oder Matratze zum Einsatz kommen, wie die Forscher anhand eines weiteren Prototyps demonstrieren: Eine 1,83 Meter lange und 69 Zentimeter breite saTENG Matte erzeugte beim wiederholten Berühren mit einer etwa fußgroßen Acrylplatte immerhin genügend Strom, um 170 LEDs aufleuchten zu lassen. (Science Advances, 2016; doi: 10.1126/sciadv.1501624)
(Science Advances, 20.06.2016 – NPO)
