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Erneuerbare Energie aus der Schuhsohle

Energie
Piezoelektrikum

Ein Stück des neuen piezoelektrischen Materials. Bildquelle: Frank Wojciechowski

Forscher der Princeton University haben ein flexibles Material entwickelt, das mechanische zu 80 Prozent in elektrische Energie umwandelt.

Jeder von uns setzt täglich einen guten Teil seiner im Körper chemisch gespeicherten Energie in mechanische um. Wäre es da nicht gut, diese Bewegung als Energiequelle anzapfen zu können? In Japan wird seit längerem mit Materialien in Bodenplatten experimentiert, die den Druck von Fußgängern in Strom umwandeln. Forscher der Princeton University haben nun ein Material vorgestellt, das diesen Effekt in einer ganz neuen Größenordnung erzielt.

Dabei handelt es sich um ein gummiartiges Sandwich aus Silikon und dem piezoelektrischen Material Blei-Zirkon-Titanat (PZT). Der piezoelektrische Effekt besteht darin, dass bestimmte Materialien unter mechanischem Druck eine Spannung aufbauen, weil sich in der verformten Kristallstruktur viele kleine Dipole bilden. Die Spannung lässt sich dann nutzen, um Strom fließen zu lassen. Umgekehrt funktioniert der Effekt auch: Legt man an einen Piezokristall eine Spannung an, zieht er sich zusammen.

Die neue Silikon-PZT-Mischung kann bei einer Verformung 80 Prozent der mechanischen in elektrische Energie umwandeln. Das ist vier Mal mehr als bei bisherigen flexiblen piezoelektrischen Materialien.

Die Verformbarkeit könnte sich als der entscheidende Faktor erweisen, um der Technologie zum Durchbruch zu verhelfen. Das US-Militär hat beispielsweise steife piezoelektrische Stoffe in Schuhsohlen getestet. Die Soldaten fanden die Schuhe aber ziemlich schmerzhaft. Andere flexible Materialien wie piezoelektrische Polymere, Nanodrähte oder Kristalle konnten wiederum nicht sehr viel mechanische Energie in Strom umsetzen.

PZT ist bereits seit längerem als das effektivste piezoelektrische Material bekannt. Um seine kristalline Struktur zu bekommen, muss man es aber bei hohen Temperaturen aufwachsen lassen – unter denen flexible Trägermaterialien schmelzen würden. Die Princeton-Forscher fanden eine simple Lösung: Sie bringen das PZT erst nachträglich auf Silikon auf.

Im ersten Schritt lösen sie mittels Ätzen hauchdünne Bänder von einem Kristall ab. Mit einem Polymerstempel werden die im zweiten Schritt aufgenommen und auf einen Silikon-Film gelegt. Darüber kommt ein weiterer Silikon-Film, und anschließend wird das Ganze versiegelt. „Die Arbeitsschritte sind extrem einfach und unkompliziert“, sagt der Ingenieur Michael McAlpine [1], der das Projekt leitete. Und ganz wichtig: Der Prozess beeinträchtige die Effizienz von PZT bei der Energieumwandlung nicht, fügt er hinzu. Ihre ersten Testergebnisse hat seine Gruppe im Journal Nano Letters [2] veröffentlicht.

McAlpine ist zuversichtlich, dass sich der Druckvorgang auch auf größere Flächen hochskalieren lässt. Vorsorglich hat er auch schon ein Patent darauf angemeldet. Ihm schweben vor allem biomedizinische Anwendungen vor. Das Material könnte zum Beispiel helfen, die Anzahl chirurgischer Nachbehandlungen bei Patienten mit Implantaten zu reduzieren. Ein Silion-PZT-Band, das im Innern des Brustkorbs platziert wird, könnte die Batterie etwa eines Herzschrittmachers nachladen. Denn mit jedem Atemzug würde dessen Träger ja Strom produzieren.

Damit könnte man im Prinzip alle möglichen Implantate mit Energie versorgen, sagt Jim Grotberg [3], Chirurg und Biomediziner an der Universität von Michigan. „Ob Sie einen Sensor nehmen, der Herzschlag oder Blutdruck misst, oder einen eingepflanzten Insulin-Spender, Sie brauchen immer eine Batterie.“ PZT selbst ist wegen seines Bleigehalts nicht bioverträglich. Die Verkapselung des Materials besteht aber aus Silikon, das seit langem für medizinische Implantate genutzt werden darf. Die nächsten Tests wird die Princeton-Gruppe an etwas Bodenständigerem vornehmen – an Schuhen. In einem wenn auch bescheidenen Umfang könnten die eines Tages zu einer Quelle erneuerbarer Energie werden.


URL dieses Artikels:
http://www.heise.de/-918634

Links in diesem Artikel:
[1] http://www.princeton.edu/mae/people/faculty/mcalpine1/
[2] http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nl903377u
[3] http://www.engin.umich.edu/directory/DisplayPeople.do?tableType=PEOPLE&secure=false&theID=570