Power from the people

13.02.2008

Die Idee, Energie vom Menschen zu ernten, ist absolut vernünftig: Wer mit seinen Gadgets spielen will, soll gefälligst auch die nötige Arbeit dafür verrichten. Forscher haben einen Stoff entwickelt, der diesen Job fast unbemerkt übernimmt.

Energiemangel hat es nie wirklich gegeben - und auch in nächster Zeit ist nicht wirklich damit zu rechnen, zumindest, bis wir kurz vor dem Wärmetod des Universums angelangt sind. Denn solange es noch nicht so weit ist, wird Energie immer ungleich verteilt sein und sich von einer Form in eine andere umwandeln lassen. Nur haben wir von all der um uns gespeicherten Energie oft nichts, weil unser Lieblingshandy fast immer mit kinetischer oder Sonnenenergie nicht direkt etwas anfangen kann.

Die Vorschläge der Wissenschaft, bekannte Ressourcen im und am Menschen zu nutzen (siehe Kraftwerk im Knie), sind mannigfaltig und ließen sich noch beliebig fortspinnen. Während Windräder in der Nase oder in anderen Körperöffnungen vermutlich auf Dauer im Reich der Fantasie bleiben werden, gibt es durchaus ernstzunehmende Vorschläge, die Fließenergie des Blutes zur Stromversorgung etwa von Implantaten zu nutzen. Der Vorschlag, den nun drei Wissenschaftler des Georgia Institute of Technology in Atlanta in dem Wissenschaftsmagazin Nature unterbreiten, setzt auf nichtinvasive Techniken: Die von den Autoren entwickelten Strukturen ließen sich zum Beispiel in Stoffe für Kleidung oder Zelte integrieren.

Ihre Spezialität besteht darin, Vibrationen und Reibungsenergie geringer Frequenz (also unter zehn Hertz) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Wissenschaftler zeigen, dass dazu eine hybride Struktur geeignet ist, die (in diesem Fall) aus Kevlar-Fasern besteht, auf denen radial Zinkoxid-Nanodrähte gezüchtet wurden. Die einkristallinen Nanodrähte haben eine sechseckige Grundfläche mit 50 bis 200 Nanometer Durchmesser und um die 3,5 Mikrometern Länge. Die Nanodrähte stecken wegen der Rundung des Substrats zwar ihre Köpfe nicht zusammen, wohl aber ihre Füße. Mit zwei Schichten aus Tetraethoxysilan wurden die Strukturen stabilisiert. Das ermöglichte es, die zugrunde liegende Faser zu biegen, ohne dass die ZnO-Drähtchen verletzt wurden.

Schematische Darstellung des Mikrofiber-Nanodraht-Hybridgenerators (Bild: Z.L. Wang and X.D. Wang, Georgia Institute of Technology)

Und wo kommt nun die elektrische Energie her? Die Wissenschaftler kombinierten dazu den piezoelektrischen und den Halbleitereffekt. Ein zweiter, in Gold getauchter Kevlar-Faden bog einerseits die Zinkoxid-Nanodrähte, so dass es zu einer piezoelektrischen Ladungstrennung kam, und rief durch den Gold-Zinkoxid-Kontakt andererseits eine auf dem Halbleitereffekt beruhende Ladungstrennung hervor. Über die goldbesetzte Elektrode konnten die gewonnenen Ladungen abfließen.

Während im Versuchsaufbau die Fäden absichtlich gegeneinander gedreht wurden, könnte in der Natur etwa der Wind diese Aufgabe übernehmen. Dabei verringerte sich die Ausbeute mit steigender Frequenz der auslösenden Vibrationen. Die Forscher schätzen, dass sich aus einem Quadratmeter eines derart aufgebauten textilen Materials zwischen 20 und 80 Milliwatt gewinnen lassen müssten. Das reicht bei militärischer Anwendung zum Beispiel für den Betrieb sparsamer Sensoren - anders als bei Solarzellen dürften sich diese zum Beispiel auch im Dunklen befinden.

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