Elektrischer Strom aus Wassertropfen

Klein, aber oho: Forscher haben ein System konstruiert, das aus fallenden Wassertropfen Strom erzeugt. Schon ein Tropfen genügt dabei, um 100 kleine LEDs zum Leuchten zu bringen. Möglich wird dies durch eine Kombination von Teflon, dem Halbleiter Indiumzinnoxid und einer Aluminiumelektrode. Trifft ein Tropfen auf dieses Ensemble, entsteht elektrischer Strom. Dies eröffne ganz neue Möglichkeiten der Stromerzeugung, berichten die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Aus Wasser lässt sich elektrische Energie gewinnen – das belegen Wasserkraftwerke an Staudämmen, Laufwasserkraftwerke oder Gezeitenkraft-Anlagen. Auch zur Speicherung von Energie kann man Wasser nutzen. Allerdings benötigen all diese Systeme größere Wassermengen, um effizient zu arbeiten. Anders ist dies bei Testsystemen, die auf dem triboelektrischen Effekt beruhen: Bei diesen verursacht schon der Kontakt bestimmter Materialien mit Wasser eine elektrostatische Aufladung und erzeugt so Strom – wenn auch in sehr geringen Mengen.

Teflon, ein Halbleiter und ein paar Aluminiumstückchen

Doch es geht auch anders: Forscher unter Leitung von Zuankai Wang von der City University Hongkong haben nun einen Generator entwickelt, der aus einzelnen Wassertropfen elektrischen Strom erzeugt – und dies tausendfach effizienter als bisherige Ansätze dieser Art. Ähnlich wie bei den triboelektrischen Systemen geruht auch ihr Tropfen-Generator auf der Wechselwirkung der Wassertropfen mit bestimmten Materialien.

Das Gerät besteht aus einer Schicht des Halbleiters Indiumzinnoxid (ITO), auf die das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE) aufgetragen ist – besser bekannt als Teflon. Dieses elektrisch isolierende Material ist ein sogenannter Elektret, das elektrische Ladungen speichern oder beispielsweise durch Reibung ansammeln kann. Ein kleines Aluminiumstück verbindet beide Schichten und dient als Elektrode.

Sich akkumulierende Ladungen

Fällt nun ein Wassertropfen auf dieses Ensemble, breitet er sich auf der wasserabweisenden Teflon-Oberfläche aus und erzeugt dort durch elektrochemische Wechselwirkungen eine elektrische Aufladung. Im Gegensatz zu bisherigen Tropfen-Generatoren geht diese elektrische Energie nicht nach jedem Tropfen wieder verloren, sondern akkumuliert sich. „Mit steigender Zahl der auftreffenden Wassertropfen nimmt die Ladung der Oberfläche zu“, berichten Wang und sein Team. „Nach rund 16.000 Tropfen erreicht die Oberflächenladung einen stabilen Wert von rund 50 Nanocoulomb.“

Nun kommt ein zweiter Prozess zum Tragen: Das sich auf der Oberfläche ausbreitende Wasser bildet eine Brücke zwischen der Aluminiumelektrode und der ITO- und Teflonschicht. Dadurch entsteht ein elektrischer Stromkreis, durch den die Ladung abfließen kann. Wie die Forscher erklären, ähnelt die Funktionsweise des Systems dabei dem eines Feldeffekttransistors. Ihren Angaben zufolge erreicht der Tropfen-Generator dabei eine Energiedichte von 50 Watt pro Quadratmeter.

Ein Tropfen bringt 100 LEDs zum Leuchten

In ersten Tests erzeugte ein Prototyp dieses Tropfen-Generators bereits tausendmal mehr Energie als herkömmliche Systeme: „Ein Tropfen von 100 Mikrolitern Leitungswasser, der aus 15 Zentimetern Höhe fällt, kann eine Spannung von 140 Volt und eine Stromstärke von 270 Mikroampere erzeugen“, berichten Wang und sein Team. „Diese elektrische Energie reicht aus, um hundert kleine LEDs zum Leuchten zu bringen.“

Nach Angaben der Forscher lässt sich ihr Tropfen-Generator nicht nur mit Leitungswasser nutzen, sondern auch für Meerwasser und Regentropfen. Für den Einsatz im Regen passten sie die Konstruktion so an., dass das Regenwasser zunächst aufgefangen und dann durch eine Kapillare in kleine, regelmäßig fallende Tröpfchen geteilt wird. Auf ähnliche Weise kann auch Meerwasser dosiert werden.

„Indem wir den Durchmesser der Kapillare und die Fallhöhe justieren, können wir die Größe und Geschwindigkeit der Tropfen kontrollieren und so auch die entstehende Energiemenge“, erklären Wang und seine Kollegen.

Erneuerbare, dezentrale Energie

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet diese Technologie neue Möglichkeiten, die Energie des Wassers zu nutzen. „Die kinetische Energie des fallenden Wassers stammt aus der Schwerkraft und kann daher als frei verfügbar und erneuerbar angesehen werden“, sagt Wang. „Sie sollte daher besser genutzt werden. Strom aus Wassertropfen statt aus Erdöl oder Atomkraft könnte die nachhaltige Entwicklung der Welt voranbringen.“

Gerade für die dezentrale Stromerzeugung sei der Tropfen-Generator bestens geeignet. Überall fort wo Regen fällt oder Gewässer vorhanden sind, könnte mit ihm elektrische Energie gewonnen wreden – selbst am Rumpf einer Fähre oder auf der Oberfläche eines Regenschirms. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-1985-6)

Quelle: City University of Hong Kong